Kunstig fotosyntese træder ind i lyset

Forskere fra Rice University har skabt en effektiv, let at fremstille ilt-evolutionskatalysator, der passer godt sammen med halvledere til solvandspaltning, omdannelse af solenergi til kemisk energi i form af brint og ilt.

Laboratoriet i Kenton Whitmire, en risprofessor i kemi, gik sammen med forskere ved University of Houston og opdagede, at dyrkning af et lag af en aktiv katalysator direkte på overfladen af ​​et lysabsorberende nanorod-array producerede et kunstigt fotosyntesemateriale, der kunne splitte vand ved det fulde teoretiske potentiale for den lysabsorberende halvleder med sollys.

En ilt-evolutionskatalysator deler vand i hydrogen og ilt. At finde en ren vedvarende kilde til brintbrændstof er fokus for omfattende forskning, men teknologien er endnu ikke blevet kommercialiseret.

Rice -teamet fandt på en måde at kombinere tre af de mest rigelige metaller - jern, mangan og fosfor - til en forstadie, der kan deponeres direkte på ethvert substrat uden at beskadige det.

For at demonstrere materialet, laboratoriet placerede forløberen i sin brugerdefinerede kemiske dampaflejringsovn (CVD) og brugte den til at belægge en række lysabsorberende, halvledende titandioxid nanoroder. Det kombinerede materiale, kaldet en fotoanode, viste fremragende stabilitet, mens den nåede en strømtæthed på 10 milliampere per kvadratcentimeter, rapporterede forskerne.

Resultaterne fremgår af to nye undersøgelser. Den første, om filmens tilblivelse, vises i Kemi:A European Journal . Sekundet, som beskriver oprettelsen af ​​fotoanoder, vises i ACS Nano .

Whitmire sagde, at katalysatoren er vokset fra en molekylær forstadie designet til at producere den ved nedbrydning, og processen er skalerbar. Rice lab kombineret jern, mangan og fosfor (FeMnP) til et molekyle, der omdannes til en gas, når der påføres vakuum. Når denne gas støder på en varm overflade via CVD, det nedbrydes for at belægge en overflade med FeMnP -katalysatoren.

Forskerne hævder, at deres film er "den første heterobimetalliske phosphid tynde film" skabt af jern, mangan og fosfor, der starter som en enkelt forløber. De resulterende film indeholder stabile sekskantede arrays af atomer, der, indtil nu, kun var set ved temperaturer over 1, 200 grader Celsius. Risfilmene blev skabt ved 350 grader C på 30 minutter.

"Temperaturer over 1, 200 C ødelægger halvleder -arrayet, "Sagde Whitmire." Men disse film kan laves ved lave temperaturer, lader dem jævnt belægge og interagere med fotoabsorberen og skabe en hybridelektrode. "

Forskerne belagde de tredimensionelle arrays af titandioxid-nanoroder med den metallisk udseende film. Kompositmaterialet viste potentiale som en halvleder med højt overfladeareal til fotoelektrokemiske celler.

Dyrkning af overgangsmetalbelægningen direkte på nanoroderne giver maksimal kontakt mellem de to, Sagde Whitmire. "Den metalliske, ledende grænseflade mellem halvlederen og den aktive katalytiske overflade er nøglen til den måde, denne enhed fungerer på, " han sagde.

Filmen har også ferromagnetiske egenskaber, hvor atomernes magnetiske øjeblikke flugter i samme retning. Filmen har en lav Curie -temperatur, temperaturen, ved hvilken nogle materialers magnetiske egenskaber skal induceres. Det kan være nyttigt til magnetisk køling, sagde forskerne.

Efter at have etableret deres teknik, Whitmire sagde, at det nu vil være meget lettere at undersøge hybridkatalysatorer til mange applikationer, herunder petrokemisk produktion, energiomsætning og køling.

"Det ser ud til, at når det regner, det hælder, "sagde han." Vi brugte meget lang tid på at sammensætte alt, og nu er der pludselig for mange ting at gøre. "