Effektiv brintomdannelse gennem solvandsopdeling ved hjælp af hæmatitmesokrystalbaserede fotoanoder

Det er lykkedes en forskningsgruppe ledet af lektor Takashi Tachikawa fra Kobe Universitets Molecular Photoscience Research Center at udvikle fotokatalysatorer, der kan omdanne et effektivt niveau af brint fra vand ved hjælp af sollys. Det er håbet, at metoder som denne, der anvender titanium-modificerede hæmatit-mesokrystal-baserede fotoanoder, kunne danne grundlaget for et kommercielt solvandsopdelingssystem. Dette ville gøre det muligt at producere rent brændstofbrint billigere og lettere end før, gør den til en levedygtig kilde til vedvarende energi.

Dette var et fælles forskningsprojekt med Nagoya University's Institute of Materials and Systems for Sustainability (professor Shunsuke Muto) og Japan Synchrotron Radiation Research Institute (JASRI) (Chief Researchers Koji Ohara og Kunihisa Sugimoto).

Resultaterne af denne undersøgelse blev først offentliggjort i onlinetidsskriftet Naturkommunikation den 23. oktober 2019.

Når miljø- og energiproblemerne stiger, brint har fået mere opmærksomhed som en mulig ren energikilde i fremtiden. Fotoelektrokemisk (PEC) vandopdeling (også kendt som solvandssplitning) er blevet foreslået som vedvarende måde at producere brint på. I teorien, det er en enkel metode, der kræver en fotokatalysator og sollys for at få brint fra vand. Industrielle PEC-vandopdelingssystemer ville sænke den kommercielle pris på brint, gør det til en praktisk energikilde.

Imidlertid, for at gøre PEC -vandopdeling til en levedygtig metode til fremstilling af brint i stor skala, lys-til-energi-konverteringseffektiviteten skal forbedres. Når fotokatalysatoren udsættes for lys, elektroner og huller (fremstillet af elektronerne) dannes på overfladen af ​​fotokatalysatoren. Disse ladninger dissocieres derefter for at producere hydrogen og ilt fra vandmolekyler. Selvom der er blevet udført forsøg med mange forskellige fotokatalysatorer, et tilbagevendende problem er, at elektronerne og hullerne rekombinerer på katalysatoroverfladen, sænke konverteringseffektiviteten. Andre spørgsmål omfatter katalysatorholdbarhed og omkostninger.

For at kontrollere dynamikken i elektroner og huller via præcis justering af nanopartikler, Lektor Tachikawa et al udviklede en metode ved hjælp af 'hæmatit-mesokrystalbaserede fotoanoder' som fotokatalysator. Det lykkedes dem at producere en meget effektiv lys til energi konvertering. Mesokrystaller er overbygninger af nanopartikler med stærkt ordnede strukturer. Dette gør dem effektive til ladningsseparation og transport. Desuden, hæmatit er et rigeligt naturligt mineral, hvilket gør dette til en potentielt billig metode.

Mesokrystal-baserede fotoanoder

Mesokrystaller med stærkt bestilte nanopartikler blev fremstillet via solvothermal syntese (en metode til produktion af kemiske forbindelser ved hjælp af højt tryk og temperatur). Disse blev derefter brugt til at udvikle den mesokrystalbaserede fotoanode. Denne høje temperatureksponering dannede ilt ledige stillinger, Vo (små iltmangel mellemrum) inde i mesokrystaller på grund af den delvise fusion af grænsefladen mellem nanokrystaller (figur 1). Dette øgede bæreevnen for mesokrystaller, og dermed forbedre deres ledningsevne yderligere. Undersøgelser af sammensætningen og strukturen af ​​mesokrystaller afslørede også porer på overfladen af ​​partiklerne (se figur 2 for mere information). Disse mesoporer og partikelvedhæftninger ser ud til at hjælpe lysabsorbering og ladningsmobilitet, henholdsvis.

Som tidligere nævnt, et af hovedproblemerne med PEC -vandopdeling er, at elektronerne og hullerne rekombineres, før vandspaltningsreaktionen (adskillelsen af ​​ilt og brint i vandmolekyle) effektivt kan finde sted. Det blev foreslået, at de elektronhulspar, der genereres nær Vo, har længere levetid. Dette ville gøre det lettere for hullerne at flygte fra rekombination med de fotogenererede elektroner- hvilket forbedrer konverteringsydelsen.

Titanium-modificeret hæmatit

Fotoanoderne blev konstrueret ved hjælp af titaniummodificeret hæmatit (Ti-Fe ₂ O ₃ ) mesokrystaller. Ti -modifikation blev udført med det formål at øge ledningsevnen og lette ladningsseparation.

En solvandsopdelingsmetode blev oprettet som vist detaljeret i figur 3. De Ti-modificerede hæmatitfotoanoder blev anbragt i en alkalisk vandopløsning under belysning med simuleret sollys. En platin (Pt) elektrode bruges som katode. Oxygenmolekylerne genereres fra den mesokrystalbaserede fotoanode, og brintmolekylerne fremstilles fra Pt-modelektroden.

Næste, test blev udført for at bestemme fotoanodernes fotostrømstæthed. En fotostrøm er en omvendt strøm, der skyldes elektroner og huller, der bevæger sig mod henholdsvis katoden og anoden. En høj lysstrømstæthed ville indikere en stærk konverteringseffektivitet fra sollys til brint gennem PEC -vandopdeling.

Fotostrømstæthederne for Ti-modificerede hæmatitfotoanoder med forskellige filmtykkelser blev sammenlignet under to belysningstilstande. Det blev konstateret, at bagbelysning (hvor hæmatitens overflade belyses gennem FTO -glasset) genererede mere strøm i alle prøver end frontbelysning (hvor lyset skal passere gennem elektrolytten, før det når hæmatitten). Den mest effektive filmtykkelse viste sig at være 900 nm. Disse fotoanoder viste sig at have en lysstrømstæthed på 2,5 mAcm ^-2 ved et potentiale på 1,23v.

Denne metode, ved hjælp af bagbelysning, løser også problemet med lysspredning forårsaget af de udviklede gasbobler. Lysspredning er et andet problem, der kan reducere konverteringseffektiviteten. Det blev også fundet, at tilføjelse af en Co-Pi (Cobalt phosphate ion) co-katalysator til overfladen af ​​fotoanoderne yderligere forbedrede fotostrømningsdensiteten til 3,5 mAcm ^-2 (Figur 4). Denne fotostrømstæthed er den hidtil højeste opnåede ved hjælp af hæmatit som fotokatalysator materiale under bagbelysning.

Under opsplitning af solvand, de udviklede gasser H ₂ og O. ₂ blev produceret over en tre timers periode i et støkiometrisk forhold på 2:1 (figur 4). Desuden, fotoanoderne udviste ikke noget tydeligt fald i strømmen over en 24 -timers periode, tyder på stabilitet under udvidede driftsbetingelser.

Denne forskning viste, at Ti-modificerede hæmatit-mesokrystal-fotoanoder demonstrerer en høj generationseffektivitet af hydrogen fra vand under bagbelysning. Analyserne udført i løbet af denne undersøgelse tyder på, at disse fotoanoder med Vo og mesoporer har egenskaber, der gør dem særdeles velegnede til opdeling af solvand- herunder effektiv lysabsorption, langlivede huller og overlegen ladningsmobilitet. Imidlertid, nogle rekombinationsproblemer i filmen er stadig tilbage. Ydeevnen kan forbedres yderligere ved overfladebehandling.

Yderligere akademisk og industrielt forskningssamarbejde om forbedring af konverteringsfrekvens og egnetheden af ​​andre former for mesokrystalfotoanoder kan føre til hurtig realisering af et kommercielt PEC -vandopdelingssystem.