For fotokatalysatorer, at klare tidens tand betyder at finde en perfekt partner

Nøglen til effektivt at høste energi fra sollys kunne være at finde de rigtige kombinationer af lysfangende materialer. Forskere ved KAUST har opdaget, at en form for jernoxid er en fremragende co-katalysator for et lovende fotokatalytisk materiale kaldet galliumnitrid.

At finde fotokatalysatorer, der effektivt kan bruge sollys til at producere rent brintbrændstof fra vand, er en af ​​de mest eftertragtede anvendelser af solenergi. "Nitrider kan absorbere det meste af energien i solspektret, men galliumnitrid er en mangelfuld vandspaltende fotokatalysator, " siger Martin Velazquez-Rizo, en ph.d. studerende i laboratorierne i Kazuhiro Ohkawa, der ledede den aktuelle forskning.

"Når GaN bruges som fotokatalysator, materialet bliver hurtigt beskadiget af fotokorrosion, som hæmmer implementeringen i industrielle applikationer, " siger Velazquez-Rizo. Fotokorrosionsskader var synlige efter kun to timers fotoelektrokemisk brintproduktion, holdet viste.

For at teste muligheden for at forlænge galliumnitridfotokatalysatorens levetid, forskerne forsøgte at kombinere det med et jernoxid. "Fe ₂ O ₃ er et velkendt materiale i katalyseområdet på grund af dets optiske og elektroniske egenskaber og for dets evne til at fungere i barske miljøer, " siger Velazquez-Rizo. "Vi forventede, at under de rette betingelser, Fe ₂ O ₃ kunne undertrykke fotokorrosionen af ​​GaN-fotokatalysatorer uden at formindske deres fotoabsorptionsevne."

Strategien har vist sig at være effektiv. Da holdet dekorerede GaN-overfladen med en 1,3 procent dækning af Fe ₂ O ₃ partikler, de første tegn på fotokorrosion viste sig mere end 20 gange langsommere. Ud over, brintproduktionshastigheden af ​​Fe ₂ O ₃ /GaN-fotokatalysator var fem gange højere end GaN alene. Resultaterne, siger Velazquez-Rizo, "tag GaN fotokatalysatorer et skridt tættere på at blive implementeret i virkelige applikationer."

En del af grunden til Fe ₂ O ₃ og GaN klarer sig godt sammen er sandsynligvis på grund af den usædvanlige måde, hvorpå Fe ₂ O ₃ partikler er arrangeret på GaN overfladen. Atomerne i jernoxidpartiklerne flugter pænt med atomerne i GaN-gitteret nedenfor, en effekt kendt som epitaksial vækst. Denne effekt observeres sjældent, når man kombinerer materialer med forskellige krystallografiske egenskaber, såsom Fe ₂ O ₃ og GaN.

"Martins arbejde har vist, at disse forskellige materialesystemer kan have en sammenhængende krystaljustering, uden krystalfejl, Ohkawa siger. "Dagens fotoelektrodenheder er lavet af nitridhalvledere eller af oxider, men hans resultat indikerer, at ved at kombinere de to, det er muligt at fremstille nye enheder." Holdet fortsætter med at udvikle nye GaN-baserede kompositmaterialer for at forbedre energikonverteringseffektiviteten af ​​fotokatalysatorer.