ICN2-forskare under ledning av ICREA-professor Jordi Arbiol, i samarbete med IREC och ICIQ, har tagit fram ett material för fotoelektrokemisk vattenklyvning som inte bara är billigare än befintliga alternativ, men ökar både effektiviteten och resultatet av processen. Baserat på integrationen av flera material i en flerskikts nanotrådstruktur, forskningen visades på omslaget till denna månads Energi- och miljövetenskap .

Fotoelektrokemisk (PEC) vattenspjälkning är en process där solljus utnyttjas i kombination med specialiserade halvledarmaterial för att inducera elektrolys och separera vätet från vattenmolekylen. Med globala klimatförändringar driver behovet av effektiva källor till hållbar energi, det är ett ämne som har fått stor uppmärksamhet de senaste åren. ICN2-forskare i samarbete med Catalonia Institute for Energy Research (IREC) och Institute of Chemical Research of Catalonia (ICIQ) har optimerat egenskaperna hos halvledarmaterialet för mer effektiv och produktiv omvandling av sol-till-bränsle.

Specifikt, halvledarmaterialet behövs för att absorbera solenergin och fungera som en elektrod i vattenklyvningsprocessen. Hematit, en vanlig halvledare med ett smalt bandgap som är idealiskt lämpad för att absorbera solspektrumet, är en möjlig fotoanod. Som en järnoxid (α-Fe ₂ O ₃ ), hematit är bland de mest förekommande mineralerna på jordens yta och är därför betydligt billigare än det guld och platina som vanligtvis används. Dock, frågor som rör flödet av elektrisk laddning (dvs. dålig avgiftstransport, ytladdningsrekombination och långsam laddningsöverföringskinetik) har begränsat dess praktiska tillämpning vid PEC-vattenuppdelning.

För att övervinna dessa begränsningar, tidigare studier har fokuserat på utvecklingen av hematitkompositer, strukturer som innehåller ett andra material som ger hematitbasen kompenserande eller förstärkande egenskaper. Ett antal material har studerats i binära formuleringar med hematiten. Jordi Arbiol och hans team har integrerat hela fyra material i en flerlagers nanostruktur och systematiskt studerat PEC-prestanda för den resulterande fotoanoden, också belysa de bakomliggande kemiska mekanismerna.

I tidningen, Förstaförfattaren PengYi Tang beskriver i detalj tillverkningsprocesserna genom vilka de fyra jordnära materialen sammanförs i en ny nanotrådsbaserad kärna/skal hematit-heterostruktur komplett med "nanodots" (se illustration). En studie av laddningsöverföringskinetiken vid elektrodgränssnitten belyser också rollen av yttillståndstäthet/donatordensitetsförhållandet för att bestämma materialets laddningsöverföringseffektivitet för PEC-vattenuppdelning.

De designade kvartära kompositfotoanoderna överträffar befintliga toppmoderna strukturer, medan verket som helhet ger en mer komplett bild av beteendet hos dessa integrerade fotoanoder.