I linje med den ökande globala oron över vår planets tillstånd, Att fullända tekniken för alternativ energigenerering har blivit ett hett ämne bland forskare världen över. Bland de många tekniker som undersöks för att generera ren energi, vattenklyvning är mycket lovande. Särskilt, vatten (H ₂ O) kan delas för att erhålla diväte (H ₂ ) genom att använda solenergi; detta är känt som fotoelektrokemisk vattenklyvning. Diväte kan användas som rent bränsle för andra maskiner eller för att generera el, vilket innebär att förbättring av våra vattendelningstekniker är ett garanterat sätt att minska våra koldioxidutsläpp och lindra den globala uppvärmningen.

Hur fungerar fotoelektrokemisk vattendelning? Kortfattat, som visas i fig. 1, ett sätt att göra det är att använda en viss typ av halvledarmaterial, som kallas fotoanoden, och anslut den till en liten spänningskälla och en metalltråd, som fungerar som katod. När den utsätts för solljus, vatten är uppdelat i sina konstituerande atomer på dessa två ändar; de ingående atomerna rekombinerar för att bilda det användbara H ₂ och O ₂ som en biprodukt. Det avgörande steget här är att hitta stabil, högpresterande material för fotoanoden eftersom oxidationsdelsteget, som involverar bildandet av O ₂ , är den svåraste.

Tyvärr, mest forskning har fokuserat på en klass av fotoanoder som kallas oxynitrider, som lider av instabilitet och bryts ned relativt snabbt eftersom de är benägna att oxidera när de belyses av ljus. För att lösa detta problem, ett team av forskare från Tokyo Tech under ledning av prof. Kazuhiko Maeda fokuserade istället på en annan typ av fotoanodmaterial, en oxifluorid med den kemiska formeln Pb ₂ Ti ₂ O _5.4 F _1.2 . Denna förening lider inte av självoxidation på grund av dess elektroniska egenskaper.

Även om denna oxifluorid har rapporterats vara lovande för många andra tillämpningar, det fanns inga studier på dess fotoelektrokemiska prestanda som fotoanod för vattenklyvning. Forskargruppen studerade denna förening under olika belysnings- och applicerade spänningsförhållanden, och fann att, att använda den som en fotoanod, det är nödvändigt att modifiera dess yta med andra föreningar. Först, ett lager av titanoxid (TiO ₂ ) måste avsättas på oxifluoridens yta för att öka den fotoström som genereras av vattenspaltningsreaktionen. Sedan, fotoanodens prestanda kan förbättras avsevärt genom att ytterligare belägga den med koboltoxider (CoOx), som tränger igenom sprickorna i TiO ₂ skikt och främja den önskade reaktionen. "Eftermodifiering av fotoanoden med en vattenoxidationspromotor har visat sig vara oumbärlig för att uppnå stabil prestanda i de flesta fall, " anmärker prof. Maeda.

Forskarna utförde flera experiment för att karakterisera deras fotoanod och dess prestanda för vattendelning under en mängd olika förhållanden, som under olika typer av ljus och olika spännings- och pH-värden (vilket är ett mått på vattnets surhet). Deras resultat är lovande (Fig. 2) och mycket användbara för att peka andra forskare i rätt riktning. "Än så länge, Oxynitrider och liknande föreningar har setts som lovande men svårhanterliga material för fotoanoder på grund av deras inneboende instabilitet mot självoxidation. Pb ₂ Ti ₂ O _5.4 F _1.2 representerar ett efterlängtat genombrott i detta avseende, " avslutar Prof. Maeda. Vattenklyvningsteknik kan vara avgörande för att möta våra energibehov utan att ytterligare skada miljön, och studier som denna är viktiga språngbrädor för att nå våra mål för en grönare framtid.