2D Janus-materialen kunnen overvloedige waterstofbrandstof oogsten

Verschillende studies hebben voorspeld dat de watersplitsingsreactie zou kunnen worden gekatalyseerd door bepaalde groepen 2D-materialen, die elk slechts enkele atomen dik zijn. Een bijzonder veelbelovende groep zijn de 2D Janus-materialen, waarvan de twee zijden elk een andere moleculaire samenstelling hebben.

Door middel van nieuwe berekeningen beschreven in Het Europese fysieke tijdschrift Bpresenteren Junfeng Ren en collega’s van de Shandong Normal University in China een nieuwe groep van vier 2D Janus-materialen, die bijzonder geschikt zouden kunnen zijn voor de taak.

Aangezien waterstof bij verbranding een overvloed aan energie vrijgeeft, met alleen water als bijproduct, wordt het nu algemeen gezien als een uitstekend alternatief voor fossiele brandstoffen. Het splitsen van watermoleculen omvat een redoxreactie, waarbij elektronen en gaten deelnemen aan reductie- en oxidatiereacties.

Omdat het uitstekende halfgeleiders zijn, zijn 2D Janus-materialen bijzonder geschikt om deze reactie te katalyseren. Wanneer een elektron in de isolerende valentieband van een halfgeleider een foton absorbeert, wordt het geëxciteerd naar de geleidingsband van het materiaal, waarbij een positief geladen gat achterblijft. Deze materialen zijn op hun beurt zowel bron als acceptanten van elektronen, waardoor redoxreacties gemakkelijker kunnen plaatsvinden.

In hun theoretische studie onderzocht het team van Ren een groep van vier van deze materialen: met een oppervlak bestaande uit selenium of tellurium en het andere uit broom of jodium – met aan beide zijden een tussenlaag van astatine. In deze halfgeleiders lagen de energieën van hun valentie- en geleidingsbanden ver genoeg uit elkaar om te voorkomen dat elektronen en gaten gemakkelijk opnieuw combineren: waardoor ze elektronen en gaten konden combineren om waterstof en zuurstof te produceren.

Omdat alle vier de materialen een uitstekende stabiliteit en lichtabsorptie vertonen, denken de onderzoekers dat ze ongelooflijk veelbelovende kandidaten kunnen zijn voor het katalyseren van de watersplitsingsreactie. Als deze resultaten kunnen worden gereproduceerd in experimenten, hoopt het team van Ren dat de vier materialen een belangrijk onderdeel kunnen worden van de wereldwijde inspanning om onze koolstofemissies in de komende decennia te elimineren.