Solmateriale til fremstilling af rent brintbrændstof

Osaka University-forskere skaber nyt materiale baseret på guld og sort fosfor for at producere rent brintbrændstof ved hjælp af hele spektret af sollys

Globale klimaændringer og energikrisen betyder, at der er et presserende behov for alternativer til fossile brændstoffer. Blandt de reneste brændstoffer med lavt kulstofindhold er brint, som kan reagere med ilt for at frigive energi, udsender intet mere skadeligt end vand (H2O) som produkt. Imidlertid, det meste brint på jorden er allerede låst i H2O (eller andre molekyler), og kan ikke bruges til strøm.

Brint kan dannes ved at spalte H2O, men dette bruger mere energi, end det producerede brint kan give tilbage. Vandspaltning er ofte drevet af solenergi, såkaldt "sol-til-brint"-konvertering. Materialer som titaniumoxid, kendt som halvledere med det brede båndgab, bruges traditionelt til at omdanne sollys til kemisk energi til den fotokatalytiske reaktion. Imidlertid, disse materialer er ineffektive, fordi kun den ultraviolette (UV) del af lyset absorberes - resten af ​​sollys er spildt.

Nu, et team fra Osaka University har udviklet et materiale til at høste et bredere spektrum af sollys. De tredelte kompositmaterialer af dette materiale maksimerer både det absorberende lys og dets effektivitet til vandspaltning. Kernen er en traditionel halvleder, lanthan titaniumoxid (LTO). LTO overfladen er delvist belagt med små pletter af guld, kendt som nanopartikler. Endelig, den gulddækkede LTO er blandet med ultratynde plader af grundstoffet sort fosfor (BP), som fungerer som lysabsorberende.

"BP er et vidunderligt materiale til solenergianvendelser, fordi vi kan justere lysets frekvens blot ved at variere dets tykkelse, fra ultratynd til bulk, " siger teamlederen Tetsuro Majima. "Dette gør det muligt for vores nye materiale at absorbere synligt og endda nær infrarødt lys, som vi aldrig kunne opnå med LTO alene."

Ved at absorbere dette brede væld af energi, BP stimuleres til at frigive elektroner, som derefter ledes til guld-nanopartiklerne, der dækker LTO'en. Guld nanopartikler absorberer også synligt lys, hvilket får nogle af dets egne elektroner til at blive rykket ud. De frie elektroner i både BP- og guldnanopartikler overføres derefter til LTO-halvlederen, hvor de fungerer som en elektrisk strøm til vandspaltning.

Brintproduktion ved hjælp af dette materiale forbedres ikke kun af det bredere spektrum af lysabsorption, men ved den mere effektive elektronledning, forårsaget af den unikke grænseflade mellem todimensionelle materialer af BP og LTO. Som resultat, materialet er 60 gange mere aktivt end ren LTO.

"Ved effektivt at høste solenergi for at generere rent brændstof, dette materiale kan hjælpe med at rense miljøet, " siger Majima. "Desuden, Vi håber, at vores undersøgelse af mekanismen vil anspore nye fremskridt inden for fotokatalysatorteknologi."