Nyckeln till att effektivt skörda energi från solljus kan vara att hitta rätt kombinationer av ljusfångande material. Forskare vid KAUST har upptäckt att en form av järnoxid är en utmärkt samkatalysator för ett lovande fotokatalytiskt material som kallas galliumnitrid.

Att hitta fotokatalysatorer som effektivt kan använda solljus för att producera rent vätebränsle från vatten är en av de mest eftertraktade tillämpningarna av solenergi. "Nitrider kan absorbera det mesta av energin i solspektrumet, men galliumnitrid är en bristfällig vattenklyvande fotokatalysator, "säger Martin Velazquez-Rizo, en doktorsexamen student i laboratorierna i Kazuhiro Ohkawa, som ledde den aktuella forskningen.

"När GaN används som fotokatalysator, materialet skadas snabbt av fotokorrosion, vilket hindrar dess implementering i industriella applikationer, "Säger Velazquez-Rizo. Fotokorrosionsskador syntes efter bara två timmars fotoelektrokemisk väteproduktion, laget visade.

För att testa möjligheten att förlänga galliumnitridfotokatalysatorns livslängd, forskarna försökte kombinera det med en järnoxid. "Fe ₂ O ₃ är ett välkänt material i katalysområdet på grund av dess optiska och elektroniska egenskaper och för dess förmåga att arbeta i tuffa miljöer, "säger Velazquez-Rizo." Vi förväntade oss att, under rätt förutsättningar, Fe ₂ O ₃ kan undertrycka fotokorrosion av GaN -fotokatalysatorer utan att minska deras fotoabsorptionsförmåga. "

Strategin har visat sig vara effektiv. När laget dekorerade GaN -ytan med en 1,3 procent täckning av Fe ₂ O ₃ partiklar, de första tecknen på fotokorrosion var mer än 20 gånger långsammare att visas. Dessutom, väteproduktionshastigheten för Fe ₂ O ₃ /GaN fotokatalysator var fem gånger högre än GaN ensam. Resultaten, säger Velazquez-Rizo, "ta GaN fotokatalysatorer ett steg närmare att implementeras i verkliga applikationer."

En del av anledningen Fe ₂ O ₃ och GaN fungerar bra tillsammans är troligtvis på grund av det ovanliga sättet på vilket Fe ₂ O ₃ partiklar är arrangerade på GaN -ytan. Atomerna i järnoxidpartiklarna ligger i linje med atomerna i GaN -gallret nedanför, en effekt som kallas epitaxial tillväxt. Denna effekt observeras sällan när material med olika kristallografiska egenskaper kombineras, såsom Fe ₂ O ₃ och GaN.

"Martins arbete har visat att dessa olika materialsystem kan ha en sammanhängande kristallinriktning, utan kristallfel, "Ohkawa säger." Dagens fotoelektrodanordningar är gjorda av nitridhalvledare eller av oxider, men hans resultat indikerar att genom att kombinera de två, det är möjligt att tillverka nya enheter. "Teamet fortsätter att utveckla nya GaN-baserade kompositmaterial för att förbättra energikonverteringseffektiviteten hos fotokatalysatorer.