(PhysOrg.com) -- Een beetje wanorde gaat een lange weg, vooral als het gaat om het benutten van de energie van de zon. Wetenschappers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Amerikaanse Department of Energy hebben de atomaire structuur van de oppervlaktelaag van nanokristallen van titaniumdioxide door elkaar gehaald, het creëren van een katalysator die zowel langdurig als efficiënter is dan alle andere materialen bij het gebruik van de energie van de zon om waterstof uit water te halen.

Hun fotokatalysator, die door licht gestuurde chemische reacties versnelt, is de eerste die duurzaamheid en recordbrekende efficiëntie combineert, waardoor het een kanshebber is voor gebruik in verschillende technologieën voor schone energie.

Het zou een vervuilingsvrije manier kunnen bieden om waterstof te produceren voor gebruik als energiedrager in brandstofcellen. Brandstofcellen zijn gezien als een alternatief voor verbrandingsmotoren in voertuigen. moleculaire waterstof, echter, komt van nature alleen voor op aarde in zeer lage concentraties. Het moet worden gewonnen uit grondstoffen zoals aardgas of water, een energie-intensief proces dat een van de barrières vormt voor de wijdverbreide implementatie van de technologie.

“We proberen betere manieren te vinden om waterstof te maken uit water met behulp van zonneschijn, ', zegt Samuël Mao, een wetenschapper in de Environmental Energy Technologies Division van Berkeley Lab die het onderzoek leidde. “In dit werk introduceerden we wanorde in nanokristallen van titaniumdioxide, wat het lichtabsorptievermogen en de efficiëntie bij het produceren van waterstof uit water aanzienlijk verbetert."

Mao is de corresponderende auteur van een artikel over dit onderzoek dat op 20 januari online is gepubliceerd. 2011 in Wetenschap Express met de titel "Toenemende zonneabsorptie voor fotokatalyse met zwart, Hydrogenated Titanium Dioxide Nanocrystals.” Co-auteur van het artikel met Mao zijn collega Berkeley Lab-onderzoekers Xiaobo Chen, Lei Liu, en Peter Yu.

Mao en zijn onderzoeksgroep begonnen met nanokristallen van titaniumdioxide, dat is een halfgeleidermateriaal dat wordt gebruikt als fotokatalysator om chemische reacties te versnellen, zoals het benutten van energie van de zon om elektronen te leveren die water splitsen in zuurstof en waterstof. Hoewel duurzaam, titaandioxide is geen erg efficiënte fotokatalysator. Wetenschappers hebben gewerkt om de efficiëntie te verhogen door onzuiverheden toe te voegen en andere wijzigingen aan te brengen.

De wetenschappers van Berkeley Lab probeerden een nieuwe aanpak. Naast het toevoegen van onzuiverheden, ze bouwden wanorde in de normaal perfecte atoom-voor-atoom roosterstructuur van de oppervlaktelaag van titaniumdioxide nanokristallen. Deze aandoening werd geïntroduceerd via hydrogenering.

Het resultaat is het eerste door wanorde ontworpen nanokristal. Eén transformatie was duidelijk:de meestal witte nanokristallen van titaniumdioxide werden zwart, een teken dat gemanipuleerde wanorde infraroodabsorptie opleverde.

De wetenschappers vermoedden ook dat wanorde de prestaties van de fotokatalysator verbeterde. Om erachter te komen of hun vermoeden juist was, ze dompelden door wanorde ontworpen nanokristallen onder in water en stelden ze bloot aan gesimuleerd zonlicht. Ze ontdekten dat 24 procent van het zonlicht dat door de fotokatalysator werd geabsorbeerd, werd omgezet in waterstof. een productiesnelheid die ongeveer 100 keer groter is dan de opbrengsten van de meeste halfgeleiderfotokatalysatoren.

In aanvulling, hun fotokatalysator vertoonde geen tekenen van degradatie tijdens een testperiode van 22 dagen, wat betekent dat het potentieel duurzaam genoeg is voor gebruik in de echte wereld.

Zijn kenmerkende efficiëntie komt grotendeels voort uit het vermogen van de fotokatalysator om infrarood licht te absorberen, waardoor het de eerste fotokatalysator van titaniumdioxide is die licht in deze golflengte absorbeert. Het absorbeert ook zichtbaar en ultraviolet licht. In tegenstelling tot, de meeste fotokatalysatoren van titaniumdioxide absorberen alleen ultraviolet licht, en die met defecten kunnen zichtbaar licht absorberen. Ultraviolet licht is goed voor minder dan tien procent van de zonne-energie.

“Hoe meer energie van de zon kan worden geabsorbeerd door een fotokatalysator, hoe meer elektronen er aan een chemische reactie kunnen worden geleverd, waardoor zwart titaniumdioxide een zeer aantrekkelijk materiaal is, " zegt Mao, die ook een adjunct-professor in de techniek is aan de University of California in Berkeley.

De intrigerende experimentele bevindingen van het team werden verder toegelicht door theoretische natuurkundigen Peter Yu en Lei Liu, die onderzocht hoe het door elkaar halen van het rooster van atomen op het oppervlak van het nanokristal via hydrogenering de elektronische eigenschappen ervan verandert. Hun berekeningen onthulden dat wanorde, in de vorm van roosterdefecten en waterstof, maakt het mogelijk voor inkomende fotonen om elektronen te exciteren, die dan over een gat springen waar geen elektronentoestanden kunnen bestaan. Eenmaal over deze kloof, de elektronen zijn vrij om de chemische reactie op gang te brengen die water in waterstof en zuurstof splitst.

“Door een specifiek soort stoornis te introduceren, mid-gap elektronische toestanden worden gecreëerd vergezeld van een verminderde band gap, " zegt Yu, die ook een professor is aan de University of California van Berkeley's Physics Department. “Dit maakt het mogelijk dat het infrarode deel van het zonnespectrum wordt geabsorbeerd en bijdraagt ​​aan de fotokatalyse.”

Dit onderzoek werd ondersteund door het Department of Energy's Office of Energy Efficiency and Renewable Energy. Transmissie-elektronenmicroscopiebeeldvorming die werd gebruikt om de nanokristallen op atomaire schaal te bestuderen, werd uitgevoerd in het National Center for Electron Microscopy, een nationale gebruikersfaciliteit in Berkeley Lab.