Fotokatalysator gør brintproduktion 10 gange mere effektiv

Brint er en alternativ energikilde, der kan produceres fra vedvarende kilder til sollys og vand. En gruppe japanske forskere har udviklet en fotokatalysator, der øger brintproduktionen tidoblet.

Opdagelsen blev gjort af et fælles forskerhold ledet af lektor TACHIKAWA Takashi (Molecular Photoscience Research Center, Kobe University) og professor MAJIMA Tetsuro (instituttet for videnskabelig og industriel forskning, Osaka Universitet). Deres resultater blev offentliggjort den 6. april i onlineversionen af Angewandte Chemie International Edition .

Når lys påføres fotokatalysatorer, elektroner og huller dannes på overfladen af ​​katalysatoren, og brint opnås, når disse elektroner reducerer hydrogenionerne i vand. Imidlertid, i traditionelle fotokatalysatorer rekombinerer de huller, der produceres samtidig med elektronerne, for det meste på overfladen af ​​katalysatoren og forsvinder, gør det vanskeligt at øge konverteringseffektiviteten.

Professor Tachikawas forskningsgruppe udviklede en fotokatalysator lavet af mesokrystal, bevidst at skabe en mangel på ensartethed i størrelse og arrangement af krystallerne. Denne nye fotokatalysator er i stand til rumligt at adskille elektronerne og elektronhullerne for at forhindre dem i at rekombinere. Som resultat, den har en langt mere effektiv omdannelseshastighed til at producere brint end konventionelle nanopartikelformede fotokatalysatorer (ca. 7 procent).

Holdet udviklede en ny metode kaldet "topotaktisk epitaksial vækst", der bruger de nanometerstore rum i mesokrystaller. Baseret på denne syntesemetode var de i stand til at syntetisere strontiumtitanat (SrTiO3) fra en forbindelse med en anden struktur, titaniumoxid (TiO2), ved hjælp af en simpel et-trins hydrotermisk reaktion. Ved at forlænge reaktionstiden, de kunne også vokse større partikler nær overfladen og samtidig bevare deres krystallinske struktur.

Når de vedhæftede en co-katalysator til det syntetiserede mesokrystal og anvendte ultraviolet lys i vand, reaktionen fandt sted med ca. 7 procent lysenergiomdannelseseffektivitet. Under samme betingelser, SrTiO3 nanopartikler, som ikke var blevet omdannet til mesokrystaller, nåede en konverteringseffektivitet på mindre end 1 procent, beviser, at reaktionseffektiviteten steg ti gange under mesokrystalstrukturen. Når hver partikel blev undersøgt under et fluorescerende mikroskop, holdet fandt ud af, at elektronerne produceret under reaktionen samlede sig omkring de større nanokrystaller.

Når de udsættes for ultraviolet lys, elektronerne i denne nyudviklede fotokatalysator bevæger sig jævnt mellem nanopartiklerne inde i mesokrystallet, samles omkring de større nanokrystaller, der dannes på overfladen af ​​krystallen, og effektivt reducere hydrogenionerne for at skabe brint.

Opdagelsen af ​​denne kraftfulde fotokatalysator startede med forskernes idé om "bevidst at nedbryde den ordnede struktur af mesokrystaller, "et koncept, der kunne anvendes på andre materialer. Strontiumtitanatet, der blev brugt denne gang, er en kubisk krystal, hvilket betyder, at der ikke er nogen variation i molekylær adsorption eller reaktionsstyrken for hvert krystalplan. Ved at regulere størrelsen og det rumlige arrangement af nanokrystallerne, som danner byggestenene til denne struktur, det kan være muligt i høj grad at øge lysenergikonverteringseffektiviteten i det eksisterende system.

Ved at bruge disse resultater, forskergruppen planlægger at anvende mesokrystalteknologi til at realisere den supereffektive produktion af brint fra solenergi. Perovskit metaloxider, inklusive strontiumtitanat, målet for denne undersøgelse, er de grundlæggende materialer i elektroniske elementer, så deres resultater kan anvendes på en bred vifte af felter.