Rice University forskare har skapat en effektiv, enkel att tillverka syreutvecklingskatalysator som passar bra med halvledare för uppdelning av solvatten, omvandlingen av solenergi till kemisk energi i form av väte och syre.

Kenton Whitmires labb, en risprofessor i kemi, slog sig ihop med forskare vid University of Houston och upptäckte att odling av ett lager av en aktiv katalysator direkt på ytan av en ljusabsorberande nanorod-array producerade ett artificiellt fotosyntesmaterial som kunde dela vatten med den ljusabsorberande halvledarens fulla teoretiska potential med solljus.

En syreutvecklingskatalysator delar upp vatten i väte och syre. Att hitta en ren förnybar källa till vätebränsle är i fokus för omfattande forskning, men tekniken har ännu inte kommersialiserats.

Rice-teamet kom på ett sätt att kombinera tre av de mest förekommande metallerna – järn, mangan och fosfor – till en prekursor som kan avsättas direkt på vilket substrat som helst utan att skada det.

För att demonstrera materialet, labbet placerade prekursorn i sin anpassade ugn för kemisk ångavsättning (CVD) och använde den för att belägga en rad ljusabsorberande, halvledande titandioxid nanorods. Det kombinerade materialet, kallas en fotoanod, visade utmärkt stabilitet samtidigt som den nådde en strömtäthet på 10 milliampere per kvadratcentimeter, rapporterade forskarna.

Resultaten framkommer i två nya studier. Den första, om skapandet av filmerna, dyker upp i Kemi:A European Journal . Den andra, som beskriver skapandet av fotoanoder, dyker upp i ACS Nano .

Whitmire sa att katalysatorn odlas från en molekylär prekursor designad för att producera den vid nedbrytning, och processen är skalbar. Rislabbet kombinerade järn, mangan och fosfor (FeMnP) till en molekyl som omvandlas till en gas när vakuum appliceras. När denna gas möter en het yta via CVD, den sönderdelas för att belägga en yta med FeMnP-katalysatorn.

Forskarna hävdar att deras film är "den första heterobimetalliska fosfidfilmen" skapad av järn, mangan och fosfor som börjar som en enda prekursor. De resulterande filmerna innehåller stabila hexagonala uppsättningar av atomer som, tills nu, hade bara setts vid temperaturer över 1, 200 grader Celsius. Risfilmerna skapades vid 350 grader C på 30 minuter.

"Temperaturer över 1, 200 C förstör halvledaruppsättningen, " sa Whitmire. "Men dessa filmer kan göras vid låga temperaturer, så att de kan täcka jämnt och interagera med fotoabsorbatorn och skapa en hybridelektrod."

Forskarna belade de tredimensionella arrayerna av titandioxid nanorods med den metalliska filmen. Kompositmaterialet visade potential som en halvledare med hög yta för fotoelektrokemiska celler.

Att odla övergångsmetallbeläggningen direkt på nanoroderna möjliggör maximal kontakt mellan de två, sa Whitmire. "Det där metalliska, ledande gränssnittet mellan halvledaren och den aktiva katalytiska ytan är nyckeln till hur denna enhet fungerar, " han sa.

Filmen har också ferromagnetiska egenskaper, där atomernas magnetiska moment riktar in sig i samma riktning. Filmen har en låg Curie temperatur, den temperatur vid vilken vissa materials magnetiska egenskaper måste induceras. Det kan vara användbart för magnetisk kylning, sa forskarna.

Efter att ha etablerat sin teknik, Whitmire sa att det nu kommer att bli mycket lättare att undersöka hybridkatalysatorer för många applikationer, inklusive petrokemisk produktion, energiomvandling och kylning.

"Det verkar som när det regnar, det häller, " sa han. "Vi ägnade väldigt lång tid åt att sätta ihop allt, och nu är det plötsligt för många saker att göra."