Waterstof is cruciaal voor de olieraffinage-industrie en de productie van essentiële chemicaliën zoals de ammoniak die wordt gebruikt in meststoffen. Omdat de productie van waterstof kostbaar is, wetenschappers hebben lang gezocht naar alternatieve, energie-efficiënte methoden om waterstofatomen te scheiden van overvloedige bronnen zoals water.

Structuren op nanometerschaal bestaande uit goedkope metaal- en oxidebolletjes zijn onlangs aangetoond als een uitstekende katalysator voor een waterstofproductiereactie die alleen wordt aangedreven door zonlicht. De studie werd voltooid door Ming-Yong Han en zijn collega's van het A*STAR Institute of Materials Research and Engineering, Singapore, in samenwerking met een team van onderzoekers uit Singapore en Frankrijk.

Han en zijn team mengden goudbollen met een diameter van 50 nanometer in een titaniumdioxide-precursor, zodat zich een bol titaniumdioxide vormde aan de zijkant van elk gouden nanodeeltje. Structuren met deze opstelling met twee bollen staan ​​bekend als Janusdeeltjes, genoemd naar de tweekoppige god uit de Romeinse mythologie. Terwijl de Janus-deeltjes werden gesuspendeerd in een mengsel van water en isopropylalcohol, Han en collega's schenen er zichtbaar licht op en maten de waterstofproductie, dat ging met een snelheid van maar liefst 2 milliliter per minuut.

De onderzoekers gebruikten vervolgens theoretische modellen om aan te tonen dat deze productiesnelheid werd veroorzaakt door zogenaamde plasmonische effecten:dat wil zeggen, de elektronen op het oppervlak van het gouden nanodeeltje op de kruising met het titaandioxide gekoppeld aan het invallende licht en vormden hybride deeltjes van lichte materie, plasmonpolaritonen genaamd. De energie die door deze deeltjes werd geabsorbeerd, ging vervolgens over in de omringende vloeistof, en dit zorgde voor de waterstofafgevende chemische reactie.

"Ons werk geeft inzicht in mechanismen die nuttig zullen zijn voor de toekomstige ontwikkeling van hoogwaardige fotokatalysatoren, " zegt Han. Inderdaad, Han en zijn collega's waren in staat om de efficiëntie van de waterstofproductie nog verder te verbeteren:ze vergrootten het oppervlak van het metaal-oxide-interface door grotere gouden nanodeeltjes te gebruiken.

De Janus-deeltjes waren 100 keer efficiënter als katalysator voor waterstofproductie dan naakte gouden nanodeeltjes. Bovendien, ze waren meer dan anderhalf keer beter dan een ander veelvoorkomend type plasmonisch nanodeeltje, kern-schil deeltjes, waarbij het oxidemateriaal een coating vormt rond het metalen nanodeeltje.

"We hopen vervolgens een beter begrip te krijgen van de processen die plaatsvinden op het metaal-titanium-dioxide-interface met behulp van een combinatie van experimentele observaties en theoretische simulaties, ", zegt Han. "Dit zal ons dichter bij ons uiteindelijke doel brengen om zonne-verlichting te gebruiken als een overvloedige bron van hernieuwbare energie."