Väte är avgörande för oljeraffineringsindustrin och produktionen av viktiga kemikalier som ammoniak som används i gödningsmedel. Eftersom det är dyrt att producera väte, forskare har länge sökt efter alternativ, energieffektiva metoder för att separera väteatomer från rikliga källor som vatten.

Strukturer i nanometerskala bestående av billiga metall- och oxidsfärer visades nyligen som en utmärkt katalysator för en väteproduktionsreaktion som endast drivs av solljus. Studien slutfördes av Ming-Yong Han och hans kollegor vid A*STAR Institute of Materials Research and Engineering, Singapore, arbetar i samarbete med ett team av forskare från Singapore och Frankrike.

Han och hans team blandade guldsfärer med en diameter på 50 nanometer till en titandioxidprekursor så att en sfär av titandioxid bildades på sidan av varje guldnanopartikel. Strukturer med detta tvåsfäriga arrangemang är kända som Janus-partiklar, uppkallad efter den tvåhövdade guden från romersk mytologi. Medan Janus-partiklarna suspenderades i en blandning av vatten och isopropylalkohol, Han och hans medarbetare lyste synligt ljus på dem och mätte väteproduktionen, som fortsatte med en hastighet så snabbt som 2 milliliter per minut.

Forskarna använde sedan teoretiska modeller för att visa att denna produktionshastighet orsakades av så kallade plasmoniska effekter:det vill säga, elektronerna på ytan av guldnanopartikeln vid föreningspunkten med titandioxiden kopplad till det inkommande ljuset och bildade hybridpartiklar av lättmateria som kallas plasmonpolaritoner. Energin som absorberas av dessa partiklar passerade sedan in i den omgivande vätskan, och detta drev den vätefrigörande kemiska reaktionen.

"Vårt arbete ger insikt i mekanismer som kommer att vara användbara för den framtida utvecklingen av högpresterande fotokatalysatorer, " säger Han. Ja, Han och hans medarbetare kunde förbättra effektiviteten av väteproduktionen ytterligare:de ökade arean av metall-oxidgränssnittet genom att använda större guldnanopartiklar.

Janus-partiklarna var 100 gånger effektivare som katalysator för väteproduktion än nanopartiklar av nakna guld. Dessutom, de var över en och en halv gånger bättre än en annan vanlig typ av plasmoniska nanopartiklar, kärna-skal partiklar, där oxidmaterialet bildar en beläggning runt metallnanopartikeln.

"Vi hoppas härnäst att utveckla en bättre förståelse för de processer som sker vid metall-titandioxid-gränssnittet genom att använda en kombination av experimentella observationer och teoretiska simuleringar, ", säger Han. "Detta kommer att föra oss närmare vårt slutmål att använda solbelysning som en riklig källa till förnybar energi."