Hæmatitbaserede nanotrådsstrukturer for at forbedre sol-til-brændstofkonvertering i fotoelektrokemisk vandopdeling

ICN2-forskere ledet af ICREA-professor Jordi Arbiol, i samarbejde med IREC og ICIQ, har fremstillet et materiale til brug i fotoelektrokemisk vandspaltning, som ikke kun er billigere end eksisterende alternativer, men øger både effektiviteten og outputtet af processen. Baseret på integration af flere materialer i en flerlags nanotrådstruktur, undersøgelsen blev vist på forsiden af ​​denne måneds Energi- og miljøvidenskab .

Fotoelektrokemisk (PEC) vandspaltning er en proces, hvorved sollys udnyttes i kombination med specialiserede halvledermaterialer for at inducere elektrolyse og adskille brinten fra vandmolekylet. Med globale klimaændringer, der driver behovet for effektive kilder til bæredygtig energi, det er et emne, der har fået stor opmærksomhed de seneste år. ICN2-forskere har i samarbejde med Catalonia Institute for Energy Research (IREC) og Institute of Chemical Research of Catalonia (ICIQ) optimeret egenskaberne af halvledermaterialet til mere effektiv og produktiv sol-til-brændstof-konvertering.

Specifikt, halvledermaterialet er nødvendigt for at absorbere solenergien og fungere som en elektrode i vandspaltningsprocessen. hæmatit, en almindelig halvleder med et smalt båndgab, der er ideelt egnet til at absorbere solspektret, er en mulig fotoanode. Som et jernoxid (α-Fe ₂ O ₃ ), hæmatit er blandt de mest udbredte mineraler på jordens overflade og er derfor betydeligt billigere end det guld og platin, der typisk bruges. Imidlertid, spørgsmål vedrørende strømmen af ​​elektrisk ladning (nemlig, dårlig afgiftstransport, overfladeladningsrekombination og langsom ladningsoverførselskinetik) har begrænset dens praktiske anvendelse i PEC-vandspaltning.

For at overvinde disse begrænsninger, tidligere undersøgelser har fokuseret på udviklingen af ​​hæmatitkompositter, strukturer, som inkorporerer et andet materiale, der giver kompenserende eller forstærkende egenskaber til hæmatitbasen. En række materialer er blevet undersøgt i binære formuleringer med hæmatitten. Jordi Arbiol og hans team har integreret hele fire materialer i en flerlags nanostruktur og systematisk studeret PEC-ydelsen af ​​den resulterende fotoanode, også kaste lys over de underliggende kemiske mekanismer.

I avisen, første forfatter PengYi Tang beskriver i detaljer fremstillingsprocesserne, hvorved de fire jordrige materialer bringes sammen i en ny nanotråd-baseret kerne/skal hæmatit-heterostruktur komplet med "nanodots" (se illustration). En undersøgelse af ladningsoverførselskinetikken ved elektrodegrænsefladerne fremhæver også rollen af ​​overfladetilstandens tæthed/donordensitetsforhold i bestemmelsen af ​​materialets ladningsoverførselseffektivitet for PEC-vandspaltning.

De designet kvaternære kompositfotoanoder udkonkurrerer eksisterende state-of-the-art strukturer, mens værket som helhed præsenterer et mere komplet billede af disse integrerede fotoanoders opførsel.