(Phys.org) -Een unieke technische techniek op atomaire schaal om fotokatalytische "witte" nanodeeltjes van titaniumdioxide met een laag rendement om te zetten in "zwarte" nanodeeltjes met een hoog rendement, zou de sleutel kunnen zijn tot technologieën voor schone energie op basis van waterstof.

Samuël Mao, een wetenschapper die gezamenlijke afspraken heeft met de Environmental Energy Technologies Division van Berkeley Lab en de University of California in Berkeley, leidt de ontwikkeling van een techniek voor technische wanorde in de nanokristallijne structuur van de halfgeleider titaniumdioxide. Hierdoor worden de van nature witte kristallen zwart van kleur, een teken dat de kristallen nu zowel infrarood als zichtbaar en ultraviolet licht kunnen absorberen. Het uitgebreide absorptiespectrum verbetert aanzienlijk de efficiëntie waarmee zwart titaniumdioxide zonlicht kan gebruiken om watermoleculen te splitsen voor de productie van waterstof.

"We hebben aangetoond dat zwarte titaniumdioxide-nanodeeltjes waterstof kunnen genereren door fotokatalytische reacties op zonne-energie met een recordhoge efficiëntie, ' zei Mao tijdens een lezing op de nationale bijeenkomst van de American Chemical Society (ACS) in New Orleans.

"De synthese van zwarte titaniumdioxide-nanodeeltjes was gebaseerd op een hydrogeneringsproces waarbij witte titaniumdioxide-nanokristallen werden onderworpen aan waterstofgas onder hoge druk, "zei Mao. "De unieke ongeordende structuur creëert een fotokatalysator die zowel duurzaam als efficiënt is, en geeft titaniumdioxide, een van de meest bestudeerde van alle oxidematerialen, een hernieuwd potentieel."

De belofte van waterstof in batterijen of brandstoffen is een schone en hernieuwbare energiebron die de wereldwijde klimaatverandering niet verergert. De uitdaging is om het op een kosteneffectieve manier in massa te produceren. Ondanks dat het het meest voorkomende element in het universum is, pure waterstof is schaars op aarde omdat waterstof zich met zowat elk ander type atoom kan combineren. Het gebruik van zonne-energie om het watermolecuul te splitsen in waterstof en zuurstof is de ideale manier om zuivere waterstof te produceren. Dit, echter, vereist een efficiënte fotokatalysator die water niet corrodeert. Titaandioxide kan tegen water, maar totdat het werk van Mao en zijn groep alleen ultraviolet licht kon absorberen, dat is goed voor amper tien procent van de energie in zonlicht.

In zijn ACS-toespraak, getiteld "Disorder Engineering:titaniumdioxide-nanodeeltjes zwart maken, " Mao beschreef hoe hij het concept van "disorder engineering, " en hoe de introductie van gehydrogeneerde aandoeningen energietoestanden in het midden van de band creëert boven het maximum van de valentieband om de waterstofmobiliteit te verbeteren. Zijn studies hebben niet alleen een veelbelovende nieuwe fotokatalysator opgeleverd voor het genereren van waterstof, maar hebben ook geholpen om een ​​aantal wijdverbreide wetenschappelijke overtuigingen te verdrijven.

"Onze tests hebben aangetoond dat een goede halfgeleider-fotokatalysator geen enkel kristal hoeft te zijn met minimale defecten en energieniveaus net onder de onderkant van de geleidingsband, ' zei Mao.

Karakteriseringsstudies bij de Advanced Light Source van Berkeley Lab hielpen ook bij het beantwoorden van de vraag hoeveel van de waterstof die in hun experimenten wordt gedetecteerd, afkomstig is van de fotokatalytische reactie, en hoeveel afkomstig is van waterstof dat wordt geabsorbeerd in het titaniumoxide tijdens het hydrogeneringssyntheseproces.

"Onze metingen geven aan dat slechts een zeer kleine hoeveelheid waterstof wordt geabsorbeerd in zwart titaniumdioxide, ongeveer 0,05 milligram, in vergelijking met de 40 milligram waterstof die is gedetecteerd tijdens een 100 uur durende, door zonne-energie aangedreven waterstofproductie-experiment, ' zei Mao.