Med det ökande trycket på globala koldioxidutsläpp och klimatförändringar, det är angeläget att utveckla renare energialternativ istället för fossila bränslen. Väte är ett rent bränsle med noll koldioxidutsläpp eftersom det endast producerar ofarligt vatten när det förbränns. Dock, en teknik för att producera så kallat "grönt väte" behöver utvecklas vidare för praktiska tillämpningar, som sysselsätter på vattendelning med hjälp av en förnybar energikälla. Solväte är en sådan idealisk teknik för att producera vätebränsle från solljus, men trots intensiv forskning över hela världen under de senaste decennierna, utvecklingen har varit långsam.

Professor Jae Sung Lee och hans forskargrupp vid School of Energy and Chemical Engineering vid UNIST, i samarbete med forskare vid Dalian Institute of Chemical Physics (DICP), Kina har nyligen rapporterat om en betydande upptäckt som kan föra solenergiproduktionen ett steg närmare verkligheten.

Elektrolys av vatten till väte och syre kan realiseras men kräver stora mängder elektricitet som till stor del tillverkas genom förbränning av fossila bränslen. Fotoelektrokemisk (PEC) vattenklyvning ger en miljövänlig och mer hållbar väg till väteproduktion. Hematit anses vara ett idealiskt fotoanodmaterial för storskalig tillämpning av PEC-vattenspjälkning på grund av dess naturliga överflöd, kemisk robusthet, och ett idealiskt bandgap på 2,1 eV som tillåter en hög sol-till-väte omvandlingseffektivitet på 16,8 % (över 10 % är ett krav för kommersialisering). Att realisera den höga prestandan hos hematit som motsvarar dess lovande potential är fortfarande en stor utmaning på grund av olika begränsande faktorer i dess optoelektroniska egenskaper. På grund av dessa begränsningar, den rapporterade prestandan för hematitfotoanoder förblir mindre än hälften av deras potentiella prestanda.

Forskargruppen har framgångsrikt designat och konstruerat en ny nanostrukturerad hematitbaserad fotoanod, som är en kärna-skal-bildning av gradienttantal-dopade hematithomojunction nanorods genom kombination av andra hydrotermisk tillväxt och hybrid mikrovågsglödgning (HMA). Gradienten Ta-dopade homojunction nanorods resulterar i hög konduktivitet inuti (tung Ta5+-dopning) medan yttillstånden utanför passiverades genom avlägsnande av ytdefekter orsakade av tung Ta5+-dopning. Mer avgörande, detta konstruerar ett extra elektriskt fält för att undertrycka laddningsrekombination, vilket leder till en betydande förbättring av fotoström och en stor minskning av startspänningen (se figur 1). De flesta av de kända modifieringsstrategierna förbättrar antingen fotoströmsgenerering eller minskar strömtillslagsspänningen. Det unika med vår nyutvecklade strategi är att förbättra de två förtjänstsiffrorna samtidigt. Detta arbete visar på ett bra sätt hur de många strategierna för hög doping, homojunction och samkatalysatorladdning förbättrar fotoanodens prestanda. Som ett resultat, den slutligen optimerade fotoanoden förbättrar fotoströmdensiteten med 66,8 % och skiftar dess startspänning med ~270 mV i förhållande till den omodifierade fotoanoden.

För närvarande produceras det mesta av väte genom att reformera naturgas, som varken är rent eller hållbart. Med vidare utveckling, man kan producera rent och grönt väte från solvattenklyvning, och den nuvarande upptäckten kan vara en viktig milstolpe i en sådan utveckling.

Resultaten av denna forskning har publicerats i Naturkommunikation .