Wetenschappers van Rice University hebben een efficiënte, eenvoudig te vervaardigen zuurstofevolutiekatalysator die goed samengaat met halfgeleiders voor het splitsen van zonnewater, de omzetting van zonne-energie in chemische energie in de vorm van waterstof en zuurstof.

Het laboratorium van Kenton Whitmire, een Rice hoogleraar scheikunde, werkte samen met onderzoekers van de Universiteit van Houston en ontdekte dat het groeien van een laag van een actieve katalysator direct op het oppervlak van een lichtabsorberende nanostaafreeks een kunstmatig fotosynthesemateriaal produceerde dat water kon splitsen met het volledige theoretische potentieel van de lichtabsorberende halfgeleider met zonlicht.

Een zuurstof-evolutiekatalysator splitst water in waterstof en zuurstof. Het vinden van een schone hernieuwbare bron van waterstofbrandstof is de focus van uitgebreid onderzoek, maar de technologie is nog niet gecommercialiseerd.

Het Rice-team bedacht een manier om drie van de meest voorkomende metalen te combineren:ijzer, mangaan en fosfor - tot een voorloper die direct op elk substraat kan worden afgezet zonder het te beschadigen.

Om het materiaal te demonstreren, het lab plaatste de voorloper in zijn aangepaste chemische dampafzetting (CVD) oven en gebruikte het om een ​​reeks lichtabsorberende, halfgeleidende titaandioxide nanostaafjes. Het gecombineerde materiaal, een fotoanode genoemd, vertoonde een uitstekende stabiliteit bij het bereiken van een stroomdichtheid van 10 milliampère per vierkante centimeter, meldden de onderzoekers.

De resultaten verschijnen in twee nieuwe onderzoeken. De eerste, over de totstandkoming van de films, verschijnt in Chemie:een Europees tijdschrift . De seconde, waarin de creatie van fotoanodes wordt beschreven, verschijnt in ACS Nano .

Whitmire zei dat de katalysator is gegroeid uit een moleculaire voorloper die is ontworpen om het na ontbinding te produceren, en het proces is schaalbaar. Het Rice lab combineerde ijzer, mangaan en fosfor (FeMnP) in een molecuul dat wordt omgezet in een gas wanneer vacuüm wordt toegepast. Wanneer dit gas via CVD een heet oppervlak ontmoet, het ontleedt om een ​​oppervlak te bekleden met de FeMnP-katalysator.

De onderzoekers beweren dat hun film "de eerste heterobimetallische fosfide dunne film" is gemaakt van ijzer, mangaan en fosfor dat begint als een enkele voorloper. De resulterende films bevatten stabiele hexagonale arrays van atomen die, tot nu, was alleen waargenomen bij temperaturen boven de 1, 200 graden Celsius. De rijstfilms werden in 30 minuten bij 350 graden C gemaakt.

"Temperaturen boven 1, 200 C vernietigt de halfgeleiderarray, Whitmire zei. "Maar deze films kunnen bij lage temperaturen worden gemaakt, waardoor ze een gelijkmatige laag en interactie met de fotoabsorber kunnen hebben en een hybride elektrode kunnen creëren."

De onderzoekers bedekten de driedimensionale arrays van titaniumdioxide-nanostaafjes met de metaalachtige film. Het composietmateriaal toonde potentieel als een halfgeleider met een groot oppervlak voor foto-elektrochemische cellen.

Door de overgangsmetaalcoating rechtstreeks op de nanostaafjes te laten groeien, is maximaal contact tussen de twee mogelijk. zei Whitmir. "Dat metaal, geleidende interface tussen de halfgeleider en het actieve katalytische oppervlak is de sleutel tot de manier waarop dit apparaat werkt, " hij zei.

De film heeft ook ferromagnetische eigenschappen, waarin de magnetische momenten van de atomen in dezelfde richting uitlijnen. De film heeft een lage Curietemperatuur, de temperatuur waarbij de magnetische eigenschappen van sommige materialen moeten worden opgewekt. Dat kan handig zijn voor magnetische koeling, aldus de onderzoekers.

Nadat ze hun techniek hadden vastgesteld, Whitmir zei dat het nu veel gemakkelijker zal zijn om hybride katalysatoren voor veel toepassingen te onderzoeken. inclusief petrochemische productie, energieconversie en koeling.

"Het lijkt alsof als het regent, het schenkt, " zei hij. "We hebben heel lang alles in elkaar gezet, en nu zijn er ineens te veel dingen te doen."