Jordrik, billiga metaller är lovande fotokatalytiska elektrodmaterial i artificiell fotosyntes. Ett team av kinesiska forskare rapporterar nu att ett tunt lager av titandioxid under hematit nanorods kan öka prestandan hos fotoanoden. Som beskrivs i deras rapport i tidskriften Angewandte Chemie , den nanostrukturerade elektroden drar nytta av två separata effekter. Denna design som kombinerar nanostruktur med kemisk dopning kan vara exemplarisk för förbättrade "gröna" fotokatalytiska system.

Med hjälp av en katalysator, solljus kan driva oxidationen av vatten till syre och frigörandet av elektroner för strömgenerering, en process som även kallas artificiell fotosyntes. Järnoxid i form av hematit är en bekväm och billig katalysatorkandidat, men elektronerna som frigörs av den kemiska reaktionen tenderar att fångas igen och gå vilse; elflödet är ineffektivt. Som en lösning, Jinlong Gong från Tianjin University, Kina, introducerade ett nanometertunt passiveringsskikt av titandioxid. Detta förhindrar inte bara laddningsrekombination mellan hematitelektrodstrukturen och substratet, men det förser också järnoxiden med en avsevärd dopningskälla för att öka dess laddningsbärardensitet, en mycket lovande effekt för fotoelektriska tillämpningar.

Hematit kan vara ett rikligt material (järnmalm), men trots dess fotokatalytiska fördelar som fotostabilitet och goda energiförutsättningar, forskare kämpar fortfarande med dess tröga kinetik och dåliga elektriska ledningsförmåga. Nanostrukturerad hematit kan vara en lösning. Hematitfotokatalysatorerna odlas på ledande glassubstrat i nanorod-arrayer, som vidare är försedda med grenar för att få en buskig, dendritisk form. Denna grenade nanorod-struktur förstorar ytan kraftigt för att främja vattenoxidationsreaktionen, men problemet med laddningsrekombination, speciellt vid hematit-substratgränsytan, är inte löst.

Därför, Gong och hans kollegor odlade dendritiska hematit nanorods på ett mellanskikt av titandioxid, som i sig är ett fotoaktivt material. Om det är tillräckligt tunt, den belagda strukturen kan både förhindra laddningsrekombination och ge konduktivitet, men detta var inte den enda avsikten forskarna hade. "Titandioxidmellanskiktet ansågs fungera som en titankatjonkälla för att dopa hematit, ", hävdade de. Doping betyder här att öka laddningsbärardensiteten i fotokatalysatorn genom att ta in fler positiva centra och öka den elektriska ledningsförmågan.

Båda effekterna, passivering och dopning, producerade faktiskt en mer än fyra gånger högre fotoström under standardiserade förhållanden. Tillsatsen av en järnhydroxidsamkatalysator drev fotoströmdensiteten ytterligare till ett värde mer än fem gånger högre än det odopade systemet. Denna design som kombinerar billiga material, några förberedelsesteg, och förbättrad elektrisk prestanda kan vara exemplarisk för förbättrade system i grön artificiell fotosyntes.