Fotokatalytisk brintproduktion fra vand

NUS-kemikere har udviklet kulstofkonjugerede kovalente organiske rammer til synligt lysdrevet katalytisk produktion af hydrogengas fra vand.

Hydrogengas bliver vigtig som opbevaringsmedium til bæredygtige energianvendelser. Brug af sollys, en vedvarende og bæredygtig energikilde til at nedbryde vand til hydrogengas tiltrækker betydelig videnskabelig interesse. Imidlertid, denne omdannelse fra vand til hydrogengas sker ikke spontant. Det kræver et komplekst system, der involverer en strøm af frie elektroner genereret af lyskilden, der fungerer som en elektrisk strøm til at splitte vandmolekylet.

Forskerteamet ledet af prof JIANG Donglin fra Institut for Kemi, NUS har udviklet en ny klasse af fotokatalysatorer, der anvender kulstof-konjugerede kovalente organiske rammer (COF) til produktion af hydrogengas fra vand ved hjælp af solenergi. Forskergruppen konstruerede et organisk, men robust materiale, hvor kulstofbaserede byggesten er forbundet med specifikke bindinger på en topologisk foruddesignet ordnet måde. Denne unikke molekylære struktur ligner stablede lag af todimensionale netværk og er i stand til at høste sollys effektivt. Forskerne indsatte platin nanopartikler som reaktionscentre i COF og under synlig lysbestråling (≥ 420 nm), hydrogengas blev genereret med en stabil hastighed på 1, 360 μmol h-1g-1 over en periode på fem timer.

Den nyudviklede fotokatalysator har flere molekylære mekanismer, der gør det muligt at producere hydrogengas effektivt fra vand. Det består af sp2 carbon-rammer, der er π-konjugeret med lavenergibåndgap. Dette tillader absorption af lys fra det synlige til det nær infrarøde spektrum. Forskerne konstruerede også periferien (yderste kantposition) af det lagdelte todimensionale gitter med elektronmangel-enheder til syntetisk at styre de elektroniske og fotoelektriske egenskaber ved fotokatalysatoren. I øvrigt, da strukturen har tætte og ordnede søjleformede π-arrays, disse tilvejebringer veje til at lette excitoner (en exciton er en bundet tilstand af et elektronhulspar) migration og ladningstransport.

Prof Jiang sagde:"Nanopartikler, såsom platin, kan indlæses i porerne eller på overfladen af ​​fotokatalysatoren for at fungere som reaktionscentre. Dette forkorter elektronoverførselsafstanden og fremmer akkumulering af elektroner, forbedring af konverteringsydelsen. "

"Vi forventer, at dette arbejde kan tilbyde det strukturelle og mekanistiske grundlag for skalerbar og bæredygtig brændstofproduktion fra vand og sollys, "tilføjede prof Jiang.