Alt-i-et lysdrevet vandopdeling

Solcelledrevet vandopdeling er et lovende middel til at generere ren og opbevarbar energi. En ny katalysator baseret på halvleder -nanopartikler har nu vist sig at lette alle de reaktioner, der er nødvendige for "kunstig fotosyntese."

I lyset af de globale klimaændringer, der er et presserende behov for at udvikle effektive måder at opnå og lagre strøm fra vedvarende energikilder. Den fotokatalytiske opdeling af vand i brintbrændstof og ilt giver en særlig attraktiv tilgang i denne sammenhæng. Imidlertid, effektiv implementering af denne proces, som efterligner biologisk fotosyntese, er teknisk meget udfordrende, da det involverer en kombination af processer, der kan forstyrre hinanden. Nu, LMU -fysikere ledet af Dr. Jacek Stolarczyk og professor Jochen Feldmann, i samarbejde med kemikere ved universitetet i Würzburg ledet af professor Frank Würthner, er det lykkedes at demonstrere fuldstændig spaltning af vand ved hjælp af et alt-i-et-katalytisk system for første gang. Deres nye undersøgelse fremgår af tidsskriftet Naturenergi .

Tekniske metoder til fotokatalytisk opdeling af vandmolekyler bruger syntetiske komponenter til at efterligne de komplekse processer, der finder sted under naturlig fotosyntese. I sådanne systemer, halvleder -nanopartikler, der absorberer lette kvanta (fotoner) kan, i princippet, fungere som fotokatalysatorer. Absorption af en foton genererer en negativt ladet partikel (en elektron) og en positivt ladet art kendt som et 'hul, "og de to skal være rumligt adskilte, så et vandmolekyle kan reduceres til hydrogen af ​​elektronen og oxideres af hullet for at danne ilt." Hvis man kun ønsker at generere hydrogengas fra vand, hullerne fjernes normalt hurtigt ved tilsætning af offerkemiske reagenser, "siger Stolarczyk." Men for at opnå fuldstændig vandopdeling, hullerne skal bevares i systemet for at drive den langsomme proces med vandoxidation. "Problemet ligger i, at de to halvreaktioner kan finde sted samtidigt på en enkelt partikel-samtidig med at de modsat ladede arter ikke rekombineres. Desuden , mange halvledere kan oxideres selv, og derved ødelagt, ved de positivt ladede huller.

Nanoroder med rumligt adskilte reaktionssteder

"Vi løste problemet ved at bruge nanoroder fremstillet af det halvledende materiale cadmiumsulfat, og rumligt adskilte de områder, hvor oxidations- og reduktionsreaktionerne forekom på disse nanokrystaller, "Forklarer Stolarczyk. Forskerne dekorerede spidserne af nanoroderne med små partikler af platin, som fungerer som acceptorer for elektronerne, der er spændt på lysabsorptionen. Som LMU -gruppen tidligere havde vist, denne konfiguration giver en effektiv fotokatalysator til reduktion af vand til hydrogen. Oxidationsreaktionen, på den anden side, finder sted på siderne af nanoroden. Til denne ende, , LMU-forskerne fastgjorde en rutheniumbaseret oxidationskatalysator på laterale overflader udviklet af Würthners team. Forbindelsen var udstyret med funktionelle grupper, der forankrede den til nanoroden. "Disse grupper sørger for ekstremt hurtig transport af huller til katalysatoren, som letter den effektive dannelse af ilt og minimerer skader på nanoroderne, "siger Dr. Peter Frischmann, en af ​​initiativtagerne til projektet i Würzburg.

Undersøgelsen blev udført som en del af det tværfaglige projekt "Solar Technologies Go Hybrid" (SolTech), som er finansieret af staten Bayern. "SolTechs mission er at udforske innovative koncepter til omdannelse af solenergi til ikke-fossile brændstoffer, "siger professor Jochen Feldmann, indehaver af formanden for fotonik og optoelektronik på LMU. "Udviklingen af ​​det nye fotokatalytiske system er et godt eksempel på, hvordan SolTech samler den ekspertise, der er tilgængelig inden for forskellige discipliner og forskellige steder. Projektet kunne ikke have været lykkedes uden det tværfaglige samarbejde mellem kemikere og fysikere på to institutioner, "tilføjer Würthner, WHO, sammen med Feldmann, startede SolTech i 2012.