En organisk halvledarfotokatalysator som avsevärt förbättrar genereringen av vätgas kan leda till effektivare energilagringsteknik.

Förbränning av fossila bränslen leder till farliga klimatförändringar, driver sökandet efter renare förnybara energikällor. Solenergi är den överlägset vanligaste förnybara energikällan, men att låsa upp dess potential kräver ett sätt att lagra den för senare användning.

En standardmetod för att lagra solenergi är i de kemiska bindningarna av molekylärt väte med hjälp av väteutvecklingsfotokatalysatorer (HEP). För närvarande, de flesta HEP är gjorda av enkomponents oorganiska halvledare. Dessa kan bara absorbera ljus vid ultravioletta våglängder, vilket begränsar deras förmåga att producera väte.

Ett team ledd av Iain McCulloch från KAUST Solar Center, i samarbete med forskare från USA och Storbritannien, har nu utvecklat HEPs tillverkade av två olika halvledande material. De inkorporerade dessa material i organiska nanopartiklar som kan ställas in för att absorbera mer av det synliga ljusspektrumet.

"Traditionellt, oorganiska halvledare har använts för fotokatalytiska tillämpningar, säger Jan Kosco, första författare till studien. "Dock, dessa material absorberar främst UV-ljus, som utgör mindre än fem procent av solspektrumet. Därför, deras effektivitet är begränsad."

Teamet använde först en metod som kallas miniemulsion, i vilken en lösning av de organiska halvledarna emulgeras i vatten med hjälp av ett stabiliserande ytaktivt ämne. Nästa, de värmde emulsionen för att driva bort lösningsmedlet, lämnar efter sig ytaktivt stabiliserade organiska halvledarnanopartiklar.

Genom att variera det ytaktiva ämnet, de kunde kontrollera strukturen av nanopartiklarna, omvandla dem från en kärna-skal-struktur till en blandad donator/acceptor-struktur. Den blandade strukturen tillät dem att införa en heteroövergång mellan skikten av donatorpolymeren och icke-fullerenacceptorn.

"Båda strukturerna absorberar ljus i samma takt, " förklarar Kosco, "men i kärnan-skal-strukturen, endast fotogenererade hål når ytan; dock, i den blandade strukturen, både hål och elektroner når ytan av nanopartiklarna, vilket resulterar i ökad generering av väte.

HEPs uppvisade väteutvecklingshastigheter en storleksordning utöver vad som för närvarande är möjligt med enkomponent oorganiska HEP. Detta lägger grunden för nästa generations energilagringsteknik.

"Vi studerar för närvarande prestandan hos nanopartiklar bildade av olika blandningar av halvledare för att bättre förstå deras struktur-aktivitetsförhållanden, " säger McCulloch. "Vi funderar på att designa nanopartikelfotokatalysatorer för andra fotokatalytiska reaktioner, såsom syreutveckling eller koldioxidreduktion."