Terra-abbondante, i metalli a buon mercato sono promettenti materiali per elettrodi fotocatalitici nella fotosintesi artificiale. Un team di scienziati cinesi ora riferisce che un sottile strato di titania sotto i nanotubi di ematite può aumentare le prestazioni del fotoanodo. Come indicato nel loro rapporto sulla rivista Angewandte Chemie , l'elettrodo nanostrutturato beneficia di due effetti separati. Questo design che combina la nanostruttura con il drogaggio chimico può essere esemplare per sistemi fotocatalitici "verdi" migliorati.

Con l'aiuto di un catalizzatore, la luce solare può guidare l'ossidazione dell'acqua in ossigeno e il rilascio di elettroni per la generazione attuale, un processo chiamato anche fotosintesi artificiale. L'ossido di ferro sotto forma di ematite è un candidato catalizzatore conveniente ed economico, ma gli elettroni liberati dalla reazione chimica tendono ad essere nuovamente intrappolati ea perdersi; il flusso di energia elettrica è inefficiente. Come soluzione, Jinlong Gong dell'Università di Tianjin, Cina, ha introdotto uno strato di passivazione nanometrico di titanio. Questo non solo impedisce la ricombinazione di carica tra la struttura dell'elettrodo di ematite e il substrato, ma fornisce anche all'ossido di ferro una notevole fonte di drogaggio per aumentare la sua densità di portatori di carica, un effetto molto promettente per le applicazioni fotoelettriche.

L'ematite può essere un materiale abbondante (minerale di ferro), ma nonostante i suoi vantaggi fotocatalitici come la fotostabilità e le buone condizioni energetiche, gli scienziati lottano ancora con la sua cinetica lenta e la scarsa conduttività elettrica. L'ematite nanostrutturata può essere una soluzione. I fotocatalizzatori di ematite vengono coltivati ​​su substrati di vetro conduttivo in array di nanorod, che sono ulteriormente provvisti di ramoscelli per ottenere un cespuglio, forma dendritica. Questa struttura a nanobarra ramificata ingrandisce notevolmente la superficie per promuovere la reazione di ossidazione dell'acqua, ma il problema della ricombinazione di carica, specialmente all'interfaccia ematite-substrato, non è risolto.

Perciò, Gong e i suoi colleghi hanno coltivato nanotubi di ematite dendritica su uno strato intermedio di biossido di titanio, che di per sé è un materiale fotoattivo. Se sufficientemente sottile, la struttura rivestita può sia prevenire la ricombinazione di carica che fornire conduttività, ma questa non era l'unica intenzione degli scienziati. "Si pensava che l'interstrato di biossido di titanio agisse come una fonte di cationi di titanio per drogare l'ematite, " hanno sostenuto. Doping qui significa aumentare la densità dei portatori di carica nel fotocatalizzatore portando centri più positivi e aumentando la conduttività elettrica.

Entrambi gli effetti, passivazione e doping, infatti ha prodotto una fotocorrente più di quattro volte superiore in condizioni standardizzate. L'aggiunta di un co-catalizzatore di idrossido di ferro ha spinto ulteriormente la densità della fotocorrente a un valore più di cinque volte superiore a quello del sistema non drogato. Questo design che combina materiali economici, pochi passaggi di preparazione, e prestazioni elettriche migliorate possono essere esemplari per sistemi migliorati nella fotosintesi artificiale verde.