Et skridt tættere på praktisk solbrintproduktion via kunstfærdigt modificeret hæmatitfotoanode

Med det stigende pres på globale kulstofemissioner og klimaændringer, det haster med at udvikle renere energialternativer i stedet for fossile brændstoffer. Brint er et rent brændstof med ingen kulstofemission, fordi det kun producerer harmløst vand, når det forbrænder. Imidlertid, en teknologi til at producere såkaldt "grøn brint" skal udvikles yderligere til praktiske anvendelser, som beskæftiger sig med vandopdeling ved hjælp af en vedvarende energikilde. Solbrint er sådan en ideel teknologi til at producere brintbrændstof ved at bruge sollys, men på trods af intensiv forskning verden over i de sidste årtier, udviklingen har været langsom.

Professor Jae Sung Lee og hans forskerhold på School of Energy and Chemical Engineering ved UNIST, i samarbejde med forskere ved Dalian Institute of Chemical Physics (DICP), Kina har for nylig rapporteret om en betydelig opdagelse, der kan bringe solbrintproduktion et skridt tættere på virkeligheden.

Elektrolyse af vand til brint og ilt kan realiseres, men kræver store mængder elektricitet, der i høj grad fremstilles ved afbrænding af fossile brændstoffer. Fotoelektrokemisk (PEC) vandspaltning giver en miljøvenlig og mere bæredygtig vej til brintproduktion. Hæmatit betragtes som et ideelt kandidatfotoanodemateriale til storskala anvendelse af PEC-vandspaltning på grund af dets naturlige overflod, kemisk robusthed, og et ideelt båndgab på 2,1 eV, der tillader en høj sol-til-brint konverteringseffektivitet på 16,8 % (over 10 % er et krav for kommercialisering). At realisere den høje ydeevne af hæmatit svarende til dets lovende potentiale er fortsat en stor udfordring på grund af forskellige begrænsende faktorer i dets optoelektroniske egenskaber. På grund af disse begrænsninger, den rapporterede ydeevne af hæmatitfotoanoder forbliver mindre end halvdelen af ​​deres potentielle ydeevne.

Forskerholdet har med succes designet og konstrueret en ny nanostruktureret hæmatit-baseret fotoanode, som er en kerne-skal dannelse af gradient tantal-dopet hæmatit homojunction nanorods ved kombination af anden hydrotermisk vækst og hybrid mikrobølgeglødning (HMA). De gradient Ta-dopede homojunction nanorods resulterer i høj ledningsevne indeni (tung Ta5+ doping), mens overfladetilstandene udenfor blev passiveret ved fjernelse af overfladedefekter forårsaget af kraftig Ta5+ doping. Mere afgørende, dette konstruerer et ekstra elektrisk felt for at undertrykke ladningsrekombination, fører til en betydelig forbedring af fotostrømmen og et stort fald i tændspænding (se figur 1). De fleste af de kendte modifikationsstrategier forbedrer enten fotostrømgenerering eller reducerer den aktuelle tændspænding. Det unikke ved vores nyudviklede strategi er at forbedre de to værdier samtidigt. Dette arbejde demonstrerer fint, hvordan de mange strategier for høj doping, homojunction og cocatalyst loading forbedrer fotoanodes ydeevne. Som resultat, den endeligt optimerede fotoanode forbedrer fotostrømtætheden med 66,8 % og flytter dens tændspænding med ~270 mV i forhold til den umodificerede fotoanode.

I øjeblikket produceres det meste af brint ved at reformere naturgas, som hverken er rent eller bæredygtigt. Med den videre udvikling, man kan producere rent og grønt brint fra solvandsspaltning, og den nuværende opdagelse kan være en vigtig milepæl i en sådan udvikling.

Resultaterne af denne forskning er blevet offentliggjort i Naturkommunikation .