Wetenschappers van het Massachusetts Institute of Technology (MIT) hebben onderzocht hoe een speciale behandeling van goedkope metaaloxide-foto-elektroden hun efficiëntie bij het splitsen van water in waterstof en zuurstof dramatisch kan verhogen. Deze vooruitgang zou de ontwikkeling van kosteneffectieve zonne-energietechnologie kunnen versnellen, waardoor een duurzame en schone energiebron kan worden ontsloten.

Het team concentreerde zich op een specifiek metaaloxide genaamd hematiet (α-Fe2O3), dat overvloedig, stabiel en goedkoop is, waardoor het een aantrekkelijk materiaal is voor foto-elektrochemische watersplitsing. De prestaties van hematiet worden echter beperkt door de korte dragerdiffusielengte, wat betekent dat fotogegenereerde ladingsdragers snel recombineren voordat ze het elektrodeoppervlak bereiken, waardoor de efficiëntie afneemt.

Om deze uitdaging aan te pakken, gebruikten de onderzoekers een unieke oppervlaktebehandeling waarbij atomaire laagafzetting (ALD) van een dunne laag galliumoxide (Ga2O3) op de hematietfoto-elektrode bestond. Deze behandeling veranderde fundamenteel de oppervlakte-eigenschappen en dragerdynamiek van het hematiet, waardoor de diffusielengte van de drager effectief werd vergroot.

De resultaten waren opmerkelijk. De behandelde hematietfoto-elektrode vertoonde een bijna zesvoudige toename van de fotostroomdichtheid, wat een aanzienlijke toename betekende van het vermogen om water efficiënt te splitsen. Deze verbetering werd toegeschreven aan de verbeterde scheiding en transport van ladingsdragers, evenals aan de verhoogde lichtabsorptie als gevolg van de Ga2O3-laag.

De onderzoekers analyseerden de mechanismen achter deze verbeterde prestaties verder met behulp van geavanceerde karakteriseringstechnieken en theoretische modellering. Ze kregen inzicht in de elektronische bandstructuur, de dynamiek van de ladingsdragers en de grensvlakeigenschappen, wat waardevolle richtlijnen opleverde voor het optimaliseren van de behandelingsomstandigheden en het ontwerpen van nog efficiëntere foto-elektroden.

Door de oppervlaktechemie te manipuleren en de synergetische effecten tussen hematiet en Ga2O3 te benutten, biedt deze studie een veelbelovende route voor het verbeteren van de prestaties van metaaloxide-foto-elektroden voor het splitsen van zonnewater. De bevindingen dragen bij aan de voortdurende inspanningen bij het ontwikkelen van kosteneffectieve en schaalbare zonne-energietechnologieën, die hoop bieden op een duurzame en koolstofneutrale toekomst.