La chiave per raccogliere in modo efficiente l'energia dalla luce solare potrebbe essere trovare le giuste combinazioni di materiali che catturano la luce. I ricercatori della KAUST hanno scoperto che una forma di ossido di ferro è un eccellente co-catalizzatore per un promettente materiale fotocatalitico chiamato nitruro di gallio.

Trovare fotocatalizzatori in grado di utilizzare in modo efficiente la luce solare per produrre idrogeno pulito dall'acqua è una delle applicazioni più ambite dell'energia solare. "I nitruri possono assorbire la maggior parte dell'energia nello spettro solare, ma il nitruro di gallio è un fotocatalizzatore difettoso per la scissione dell'acqua, "dice Martin Velazquez-Rizo, un dottorato di ricerca studente nei laboratori di Kazuhiro Ohkawa, che ha condotto la ricerca in corso.

"Quando si usa GaN come fotocatalizzatore, il materiale viene rapidamente danneggiato dalla fotocorrosione, che ne impedisce l'implementazione nelle applicazioni industriali, " dice Velazquez-Rizo. Il danno da fotocorrosione era visibile dopo appena due ore di produzione fotoelettrochimica di idrogeno, la squadra ha mostrato.

Per testare la possibilità di estendere la vita utile del fotocatalizzatore al nitruro di gallio, i ricercatori hanno provato a combinarlo con un ossido di ferro. "Fe ₂ oh ₃ è un materiale ben noto nell'area della catalisi per le sue proprietà ottiche ed elettroniche e per la sua capacità di operare in ambienti difficili, "dice Velazquez-Rizo. "Lo avevamo previsto, nelle giuste condizioni, Fe ₂ oh ₃ potrebbe sopprimere la fotocorrosione dei fotocatalizzatori di GaN senza diminuire le loro capacità di fotoassorbimento".

La strategia si è dimostrata efficace. Quando il team ha decorato la superficie del GaN con una copertura dell'1,3% di Fe ₂ oh ₃ particelle, i primi segni di fotocorrosione erano più di 20 volte più lenti ad apparire. Inoltre, il tasso di produzione di idrogeno del Fe ₂ oh ₃ Il fotocatalizzatore /GaN era cinque volte più alto del solo GaN. I risultati, dice Velazquez-Rizo, "Portare i fotocatalizzatori GaN un passo avanti verso l'implementazione in applicazioni reali".

Parte del motivo Fe ₂ oh ₃ e GaN si comportano bene insieme è probabilmente a causa del modo insolito in cui il Fe ₂ oh ₃ le particelle sono disposte sulla superficie del GaN. Gli atomi nelle particelle di ossido di ferro si allineano perfettamente con gli atomi nel reticolo di GaN sottostante, un effetto noto come crescita epitassiale. Questo effetto si osserva raramente quando si combinano materiali con diverse proprietà cristallografiche, come Fe ₂ oh ₃ e GaN.

"Il lavoro di Martin ha dimostrato che questi diversi sistemi di materiali possono avere un allineamento cristallino coerente, senza difetti di cristallo, " Dice Ohkawa. "I dispositivi fotoelettrodi odierni sono fatti di semiconduttori di nitruro o di ossidi, ma il suo risultato indica che combinando i due, è possibile fabbricare nuovi dispositivi." Il team sta continuando a sviluppare nuovi materiali compositi a base di GaN per migliorare l'efficienza di conversione energetica dei fotocatalizzatori.