Spaltning af vand ved hjælp af vismutvanadat

Den fotokatalytiske vandspaltningsproces appellerer til forskere som en løsning på både energi- og miljøproblemer. I denne proces opdeles vand til oxygen og brint ved hjælp af lysenergi og en katalysator. Efterhånden som problemet med global opvarmning er steget, har forskere set på brint, et rent brændende brændstof, som en vedvarende energiløsning. Da vand er en så billig ressource, er der blevet dedikeret en enorm indsats til dette lovende forskningsfelt i løbet af de sidste årtier. Men forskere har kun været i stand til at opdage nogle få fotokatalysatorer med både høj effektivitet og fremragende stabilitet. Så den fotokatalytiske vandspaltningsteknologi har stadig lang vej igen, før praktisk anvendelse er mulig.

Et forskerhold fra Xi'an Jiaotong University i Kina har opnået lovende resultater ved at bruge en uorganisk forbindelse kaldet vismutvanadat (BiVO₄ ) krystaller som en fotokatalysator for at opnå effektiv fotokatalytisk vandspaltning. Deres arbejde viser det tætte forhold mellem overfladeegenskaberne af BiVO₄ og den opnåede fotokatalytiske aktivitet. Holdets resultater er offentliggjort i tidsskriftet Nano Research .

For at vandspaltningsprocessen skal være effektiv, er adskillelse af elektron-hul-parret og deres forbrug ved vandoxidation eller vandreduktionsreaktioner, der finder sted på overfladen, afgørende. Elektronhullet er en ladningsbærer, der er ansvarlig for at skabe elektrisk strøm i halvledende materialer. Ladningsbærer refererer til en partikel, der bevæger sig frit i et materiale og bærer en elektrisk ladning.

I de seneste år har forskere opnået fremragende præstationer ved at eksponere specifikke facetter som berigede reaktionssteder på fotokatalysatorerne. Forskere har opdaget, at titaniumdioxid og strontiumtitanat med deres blottede facetter giver fremragende ydeevne. Denne viden gav videnskabsmænd fingerpeg om, at en effektiv fotokatalytisk proces kunne opnås ved at indstille overfladen af ​​en fotokatalysator med forskellige funktioner.

I yderligere forskning rapporterede forskere, at BiVO₄ nanoark med blottede facetter udviste fremragende ydeevne til vandoxidation. Forskning antydede, at hvis BiVO₄ facetter blev forstørret, overlegen fotokatalytisk aktivitet til vandoxidation kunne opnås.

Xi'an Jiaotong Universitys forskerhold fokuserede deres opmærksomhed på BiVO₄ som model fotokatalysator. De undersøgte den afgørende rolle af overfladeladningsbærerforbrug på vandspaltningsreaktionerne. Holdet fremstillede BiVO₄ enkeltkrystaller med et skræddersyet forhold mellem facetter for de reduktive steder og de oxidative steder. De brugte en simpel kontrolleret hydrotermisk metode til at syntetisere BiVO₄ krystal. Gennem denne proces demonstrerede de, at effektiv fotokatalytisk vandoxidation kunne opnås gennem afbalanceret overfladeladningsbærerforbrug, der er baseret på et medium forhold mellem de reduktive steder og de oxidative steder.

Brug af BiVO₄ alene som en typisk fotokatalysator til vandoxidation opnår man ikke samlet vandspaltning. Så forskerne fortsatte deres undersøgelse og konstruerede et Z-system, hvor to forskellige fotokatalysatorer kombineres. Brug af BiVO₄ med passende cokatalysatorer opnåede teamet effektiv og stabil fotokatalytisk overordnet vandopdeling.

"Overlegen fotokatalytisk vandoxidation opnås fra BiVO₄ dekaedere med et mellemstort forhold mellem reduktive og oxidative steder, hvilket tilskrives det opnåede afbalancerede forbrug af overfladeladningsbærer," sagde Shaohua Shen, professor i International Research Center for Renewable Energy ved Xi'an Jiaotong University. "I Derudover opnås effektiv og stabil fotokatalytisk overordnet vandopdeling ved at anvende den as-syntetiserede BiVO₄ dekaeder med passende cokatalysatormodifikation," sagde Shen.

"Når vi ser fremad, giver dette arbejde både vejledning om fremstilling af nano/mikromateriale med kontrollerbar overflademorfologi og indsigtsfulde undersøgelser af den tilsvarende fotokatalytiske redoxreaktion," sagde Shen. + Udforsk yderligere

Bredt synligt lys-responsiv fotokatalysator øger solvandsspaltningen