Berkeley- en Caltech-onderzoekers hebben een high-throughputprocedure ontwikkeld die nieuwe anodematerialen opspoort voor het fotochemisch splitsen van water. Het heeft er al twaalf gevonden, schrijven Jeffrey Neaton en collega’s deze week in PNAS.

De prestatie krijgt extra glans als je bedenkt dat er de afgelopen veertig jaar in de literatuur maar zestien van die materialen zijn beschreven.

Zo’n ‘fotoanode’ is een essentieel onderdeel van kunstmatige fotosynthesesystemen, die ooit op grote schaal CO₂ moeten gaan omzetten in koolwaterstoffen. Hij zit aan de zuurstofkant van een foto-elektrische cel, en gebruikt zonlicht om water te oxideren tot H⁺ en O₂. Zo’n anode moet daarbij het zonlicht opvangen, de energie benutten om elektronen aan het water te onttrekken, en ook nog als katalysator het splitsingsproces een handje helpen. In de praktijk vraagt dat n-type halfgeleiders met een bandkloof van 1,2 tot 2,8 eV, passend bij de golflengtes van zichtbaar licht, en dat zijn niet noodzakelijkerwijs goede katalysatoren.

Om halfgeleiders te vinden die wél katalyseren, begon Neaton met high-throughput-rekenwerk. Binnen het National Energy Research Scientific Computing Center liet hij bijna 200 verbindingen uit de database van Berkeley Lab’s Materials Project doorrekenen. Daar kwam uit dat ternaire metaalvanadaten, bestaande uit vanadium, zuurstof en één ander metaal, potentie zouden moeten hebben.

Vervolgens liet hij 174 van die metaalvanadaten synthetiseren, en testte die uit via een experimentele high-throughputprocedure. Het bevestigde dat deze klasse verbindingen inderdaad een onverwacht rijke en vermoedelijk nog lang niet uitgeputte bron van fotoanodematerialen is.

Het bevestigt tevens dat de combinatie van theoretische en experimentele high throughput een prima manier is om nieuwe materialen te vinden, en niet alleen voor fotoanodes.

bron: Berkeley Lab