Onderzoekers over de hele wereld proberen door zonne-energie aangedreven generatoren te ontwikkelen die water kunnen splitsen, waterstofgas dat als schone brandstof kan worden gebruikt. Een dergelijk apparaat vereist efficiënte lichtabsorberende materialen die zonlicht aantrekken en vasthouden om de chemische reacties die betrokken zijn bij het splitsen van water aan te sturen. Halfgeleiders zoals silicium en galliumarsenide zijn uitstekende lichtabsorbers, zoals blijkt uit hun wijdverbreide gebruik in zonnepanelen. Echter, deze materialen roesten wanneer ze worden ondergedompeld in het soort wateroplossingen dat in dergelijke systemen wordt aangetroffen.

Nu hebben Caltech-onderzoekers van het Joint Center for Artificial Photosynthesis (JCAP) een methode bedacht om deze veelvoorkomende halfgeleiders tegen corrosie te beschermen, zelfs als de materialen licht efficiënt blijven absorberen. De bevinding maakt de weg vrij voor het gebruik van deze materialen in generatoren voor zonne-brandstof.

"Gedurende het grootste deel van een halve eeuw, deze materialen zijn voor dit soort gebruik van tafel beschouwd, " zegt Nate Lewis, de George L. Argyros Professor en professor in de chemie aan Caltech, en de hoofdonderzoeker op het papier. "Maar we gaven niet op om plannen te ontwikkelen waarmee we ze konden beschermen, en nu liggen deze technologisch belangrijke halfgeleiders weer op tafel."

Het onderzoek, geleid door Shu Hu, een postdoctoraal wetenschapper in de chemie aan Caltech, verschijnt in het nummer van 30 mei van het tijdschrift Wetenschap .

In het type geïntegreerde zonne-brandstofgenerator dat JCAP probeert te produceren, er moeten twee halfreacties plaatsvinden:één waarbij water wordt geoxideerd om zuurstofgas te produceren; de andere betreft de vermindering van water, waterstofgas opleveren. Elke halfreactie vereist zowel een lichtabsorberend materiaal om als foto-elektrode te dienen als een katalysator om de chemie aan te drijven. In aanvulling, de twee reacties moeten fysiek worden gescheiden door een barrière om te voorkomen dat een explosief mengsel van hun producten ontstaat.

historisch, het was bijzonder moeilijk om een ​​lichtabsorberend materiaal te bedenken dat de oxidatie-halfreactie robuust zal uitvoeren. Onderzoekers hebben geprobeerd, zonder veel succes, een verscheidenheid aan materialen en talrijke technieken voor het coaten van de gebruikelijke lichtabsorberende halfgeleiders. Het probleem was dat als de beschermlaag te dun is, de waterige oplossing dringt door en corrodeert de halfgeleider. Indien, anderzijds, de laag is te dik, het voorkomt corrosie, maar voorkomt ook dat de halfgeleider licht absorbeert en zorgt ervoor dat elektronen niet kunnen passeren om de katalysator te bereiken die de reactie aandrijft.

Bij Caltech, de onderzoekers gebruikten een proces dat atomaire laagafzetting wordt genoemd om een ​​laag titaniumdioxide (TiO2) te vormen - een materiaal dat voorkomt in witte verf en veel tandpasta's en zonnefilters - op eenkristallen van silicium, galliumarsenide, of galliumfosfide. De sleutel was dat ze een vorm van TiO2 gebruikten die bekend staat als "lekkende TiO2" - omdat het elektriciteit lekt. Voor het eerst gemaakt in de jaren 90 als een materiaal dat nuttig zou kunnen zijn voor het bouwen van computerchips, lekkende oxiden werden afgewezen als ongewenst vanwege hun ladinglekgedrag. Echter, lekkende TiO2 lijkt precies te zijn wat nodig was voor deze toepassing van zonne-brandstofgeneratoren. Gedeponeerd als een film, variërend in dikte tussen 4 en 143 nanometer, de TiO2 bleef optisch transparant op de halfgeleiderkristallen - waardoor ze licht konden absorberen - en beschermde ze tegen corrosie, maar liet elektronen door met minimale weerstand.

Bovenop de TiO2, de onderzoekers legden 100 nanometer dikke "eilanden" neer van een overvloedige, goedkoop nikkeloxidemateriaal dat met succes de oxidatie van water katalyseerde om moleculaire zuurstof te vormen.

Het werk lijkt nu een hele reeks keuzes beschikbaar te maken als mogelijke lichtabsorberende materialen voor de oxidatiekant van de watersplitsingsvergelijking. Echter, benadrukken de onderzoekers, het is nog niet bekend of de beschermende coating ook goed zou werken als deze met een goedkope, minder gecontroleerde applicatietechniek, zoals het schilderen of spuiten van de TiO2 op een halfgeleider. Ook, zo ver, het Caltech-team heeft de gecoate halfgeleiders slechts een paar honderd uur ononderbroken verlichting getest.

"Dit is al een record in termen van zowel efficiëntie als stabiliteit voor dit veld, maar we weten nog niet of het systeem op de lange termijn faalt en proberen ervoor te zorgen dat we iets maken dat jaren meegaat over grote gebieden, in tegenstelling tot weken, "zegt Lewis. "Dat is de volgende stap."