(Phys.org) —En unik ingenjörsteknik i atomskala för att förvandla lågeffektiva fotokatalytiska "vita" nanopartiklar av titandioxid till högeffektiva "svarta" nanopartiklar kan vara nyckeln till ren energiteknik baserad på väte.

Samuel Mao, en vetenskapsman som har gemensamma utnämningar med Berkeley Labs Environmental Energy Technologies Division och University of California i Berkeley, leder utvecklingen av en teknik för teknisk störning i den nanokristallina strukturen hos halvledaren titandioxid. Detta gör de naturligt vita kristallerna svarta, ett tecken på att kristallerna nu kan absorbera såväl infrarött som synligt och ultraviolett ljus. Det utökade absorptionsspektrumet förbättrar avsevärt effektiviteten med vilken svart titandioxid kan använda solljus för att dela vattenmolekyler för produktion av väte.

"Vi har visat att svarta titandioxidnanopartiklar kan generera väte genom soldrivna fotokatalytiska reaktioner med rekordhög effektivitet, " sa Mao i ett föredrag vid American Chemical Society (ACS) nationella möte i New Orleans.

"Syntesen av svarta titandioxidnanopartiklar baserades på en hydreringsprocess där vita titandioxidnanokristaller utsattes för högtrycksvätgas, ", sa Mao. "Den unika oordnade strukturen skapar en fotokatalysator som är både hållbar och effektiv, och ger titandioxid, ett av de mest studerade av alla oxidmaterial, en förnyad potential."

Löftet om väte i batterier eller bränslen är en ren och förnybar energikälla som inte förvärrar den globala klimatförändringen. Utmaningen är att massproducera den på ett kostnadseffektivt sätt. Trots att det är det vanligaste elementet i universum, rent väte är ont om på jorden eftersom väte kombineras med nästan vilken annan typ av atom som helst. Att använda solenergi för att dela upp vattenmolekylen i väte och syre är det idealiska sättet att producera rent väte. Detta, dock, kräver en effektiv fotokatalysator som inte kommer att korrodera vatten. Titandioxid kan stå emot vatten men tills Maos och hans grupps arbete bara kunde absorbera ultraviolett ljus, som står för knappt tio procent av energin i solljus.

I sitt ACS-tal, med titeln "Disorder Engineering:Turning Titanium Dioxide Nanoparticles Black, Mao beskrev hur han utvecklade konceptet "disorder engineering, " och hur introduktionen av hydrerade störningar skapar energitillstånd i mittbandsgap över valensbandets maximum för att förbättra vätemobiliteten. Hans studier har inte bara gett en lovande ny fotokatalysator för att generera väte, men har också hjälpt till att skingra några utbredda vetenskapliga övertygelser.

"Våra tester har visat att en bra halvledarfotokatalysator inte behöver vara en enda kristall med minimala defekter och energinivåer precis under botten av ledningsbandet, " sa Mao.

Karakteriseringsstudier vid Berkeley Labs Advanced Light Source hjälpte också till att svara på frågan om hur mycket av vätet som detekterades i deras experiment kommer från den fotokatalytiska reaktionen, och hur mycket som kommer från väte som absorberas i titanoxiden under hydrogeneringssyntesprocessen.

"Våra mätningar visar att endast en mycket liten mängd väte absorberas i svart titandioxid, cirka 0,05 milligram, jämfört med de 40 milligram väte som upptäcktes under ett 100 timmars soldrivet väteproduktionsexperiment, " sa Mao.