At bryde vandmolekyler fra hinanden for at generere rent brændstof:Undersøgelse af et lovende materiale

I tråd med de stigende globale bekymringer om tilstanden på vores planet, at perfektionere teknologien til alternativ energiproduktion er blevet et varmt emne blandt forskere verden over. Blandt de mange teknikker, der undersøges for at generere ren energi, vandspaltning er meget lovende. I særdeleshed, vand (H ₂ O) kan opdeles for at opnå dihydrogen (H ₂ ) ved at bruge solenergi; dette er kendt som fotoelektrokemisk vandopdeling. Dihydrogen kan bruges som rent brændstof til andre maskiner eller til at generere elektricitet, hvilket betyder, at forbedring af vores vandspaltningsteknikker er en garanteret måde at reducere vores kulstofemissioner og lindre global opvarmning.

Hvordan fungerer fotoelektrokemisk vandopdeling? Kort sagt, som vist i fig. 1, en måde at gøre det på er at bruge en bestemt type halvledermateriale, som kaldes fotoanoden, og tilslut den til en lille spændingskilde og en metaltråd, som fungerer som katoden. Når det udsættes for sollys, vand er opdelt i dets konstituerende atomer i disse to ender; de konstituerende atomer rekombineres for at danne det nyttige H ₂ og O. ₂ som et biprodukt. Det afgørende trin her er at finde stabil, højtydende materialer til fotoanoden, fordi oxidationsundertrinnet, hvilket involverer dannelsen af ​​O ₂ , er den sværeste.

Desværre, mest forskning har fokuseret på en klasse af fotoanoder kaldet oxynitrider, som lider af ustabilitet og nedbrydes relativt hurtigt, fordi de er tilbøjelige til at oxidere, når de belyses af lys. For at løse dette problem, et team af forskere fra Tokyo Tech under ledelse af prof. Kazuhiko Maeda fokuserede i stedet på en anden type fotoanodemateriale, et oxyfluorid med den kemiske formel Pb ₂ Ti ₂ O _5.4 F _1.2 . Denne forbindelse lider ikke af selvoxidation på grund af dens elektroniske egenskaber.

Selvom dette oxyfluorid er rapporteret at være lovende for mange andre applikationer, der var ingen undersøgelser af dets fotoelektrokemiske ydeevne som en fotoanode til vandspaltning. Forskergruppen undersøgte denne forbindelse under forskellige lys- og anvendte spændingsforhold, og fandt ud af, at at bruge det som en fotoanode, det er nødvendigt at ændre overfladen med andre forbindelser. Først, et lag af titanoxid (TiO ₂ ) skal deponeres på overfladen af ​​oxyfluorid for at øge fotostrømmen, der genereres af vandspaltningsreaktionen. Derefter, fotoanodens ydeevne kan forbedres kraftigt ved yderligere belægning med koboltoxider (CoOx), som trænger igennem revnerne i TiO ₂ lag og fremme den ønskede reaktion. "Eftermodifikation af fotoanoden med en vandoxidationspromotor har vist sig at være uundværlig for at opnå stabil ydeevne i de fleste tilfælde, "bemærker prof. Maeda.

Forskerne udførte flere eksperimenter for at karakterisere deres fotoanode og dens ydeevne for vandopdeling under forskellige forhold, såsom under forskellige typer lys og forskellige spændings- og pH -værdier (hvilket er et mål for vandets surhed). Deres resultater er lovende (fig. 2) og meget nyttige til at pege andre forskere i den rigtige retning. "Indtil nu, oxynitrider og lignende forbindelser er blevet betragtet som lovende, men svært håndterbare materialer til fotoanoder på grund af deres iboende ustabilitet over for selvoxidation. Pb ₂ Ti ₂ O _5.4 F _1.2 repræsenterer et længe ventet gennembrud i denne henseende, "slutter prof. Maeda. Vandspaltningsteknologi kan være afgørende for at opfylde vores energibehov uden yderligere at skade miljøet, og undersøgelser som denne er væsentlige skridt til at nå vores mål om en grønnere fremtid.