Sammensatte nanomaterialer viser løfte om solbrintgenerering

(PhysOrg.com) - En ny strategi for konstruktion af halvledermaterialer kan øge ydeevnen af ​​vandspaltede solceller til brintproduktion, ifølge en ny undersøgelse foretaget af forskere ved University of California, Santa Cruz.

Brug af sollys til at opdele vand til brint og ilt er potentielt en ren og bæredygtig måde at generere brint til brændselscellekøretøjer. Fotovoltaiske celler bruger solenergi til at generere elektricitet, og elektricitet kan bruges til at spalte vand ved elektrolyse. Men en mere direkte og effektiv tilgang leveres af fotoelektrokemiske (PEC) celler, som bruger solenergi til at generere brint inde i selve cellen.

UCSC-forskerne fokuserede på det halvledermateriale, der blev brugt som en lysabsorberende anode i PEC-cellen. De kombinerede to teknikker - kaldet elementær doping og kvantepunktsensibilisering - der er blevet brugt til at forbedre ydeevnen af ​​metaloxidhalvledere i solceller. Disse teknikker bruger nanoteknologi til at manipulere strukturen af ​​et materiale på en skala af milliardtedele af en meter.

Tidligere arbejde i laboratoriet i Jin Zhang, professor i kemi og biokemi ved UCSC, viste, at denne kombination af teknikker har en synergistisk effekt, markant forbedring af fotovoltaiske cellers ydeevne (se tidligere historie). I den nye undersøgelse, Zhang gik sammen med Yat Li, adjunkt i kemi og biokemi, at teste den samme strategi i en PEC-celle.

"Elementær doping og kvanteprikkersensibilisering er to forskellige teknikker, der fungerer godt i sig selv. Vi fandt ud af, at vi kan kombinere dem for at få en synergistisk effekt, " sagde Li. "Vi udvidede ikke kun denne idé pænt til en fotoelektrokemisk celle til brintgenerering, vi foreslog også en ny model til at forklare de observerede eksperimentelle data."

Zhang bemærkede, at der er behov for mere teoretisk arbejde for fuldt ud at forstå de involverede mekanismer. "Forståelse af mekanismerne vil give os mulighed for at optimere virkningerne, " sagde han. "Den model, vi foreslog i det første papir, var meget foreløbig, men de nye resultater har hjulpet os med at forfine vores model."

Forskerne rapporterede deres resultater i tidsskriftet Nano bogstaver i en avis, der blev lagt ud på nettet den 25. januar. Hovedforfatterne af papiret var Jennifer Hensel, en kandidatstuderende i Zhangs laboratorium, og Gongming Wang, en kandidatstuderende i Lis laboratorium.

Forskerne syntetiserede tynde film af titaniumdioxid nanopartikler, samt titaniumdioxid nanotrådarrays lodret justeret i en tynd film på et substrat. Titaniumdioxidfilmene var dopet med nitrogen, og cadmiumselenid-nanopartikler blev brugt til kvantepunktsensibilisering. De resulterende nanostrukturerede kompositmaterialer blev derefter brugt som fotoanoder i en PEC-celle for at sammenligne deres ydeevne i nøje kontrollerede eksperimenter.

Resultaterne er en vigtig demonstration af potentialet til at forbedre ydeevnen af ​​fotoelektrokemiske celler, samt fotovoltaiske solceller, ved hjælp af omhyggeligt designede materialer, sagde Zhang. "Nøglen er, at en kombination af forskellige tilgange på en rationel måde kan øge ydeevnen markant, " han sagde.