At fange lys:Hvordan kobolt kan hjælpe med at udnytte synligt lys til at drive brintproduktion fra vand

Forskere ved Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) demonstrerer det første fotoelektrokemiske system til synligt lys til vandopdeling ved hjælp af TiO ₂ forstærket med et jordrigt materiale - kobolt. Den foreslåede tilgang er enkel og repræsenterer et springbræt i bestræbelserne på at opnå en overkommelig vandopdeling for at producere brint, et rent alternativ til fossilt brændstof.

Fotoelektrokemisk vandopdeling, den proces, hvorved lysenergi bruges til at spalte vandmolekyler til brint (H ₂ ) og oxygen (O ₂ ), er en lovende tilgang til at opnå ren brint til brug som et alternativt rent brændstof. Denne proces udføres i elektrokemiske celler, der indeholder en anode og en katode nedsænket i vand, som er forbundet via et eksternt kredsløb.

Ved anoden, vandoxidation forekommer, hvorved O ₂ produceres ved at trække energi fra lysbølger. Disse bølger overfører energi til elektronerne i anodematerialet, tillader dem at bevæge sig gennem det eksterne kredsløb for at nå katoden. Her, de modtagne elektroner og katodematerialet forårsager H ₂ at danne.

Til dato, det har været vanskeligt at finde fotoelektrokemiske systemer, der udfører denne proces effektivt på grund af forskellige årsager. Titandioxid (TiO ₂ ), et velkendt og meget brugt fotoanodemateriale, kan kun absorbere energi fra lys i det ultraviolette område; det er, højenergilys. Fordi det ville være at foretrække at udnytte energien fra lys med længere bølgelængde, TiO ₂ kan blandes med ædle metaller (såsom guld eller sølv) for at sensibilisere det over for synligt lys, men dette ville være dyrt i store applikationer.

For at finde en løsning på dette problem, et forskerhold fra Tokyo Tech skabte den første fotoanode med synligt lys lavet af TiO ₂ forstærket med et jordrigt materiale - kobolt. Deres undersøgelse offentliggjort i ACS anvendte materialer og grænseflader forklarer den overraskende enkle proces med fotoanodefremstilling; tynd TiO ₂ film dyrkes på et substrat gennem en standardprocedure, og derefter indføres kobolt ved at nedsænke dem i en vandig koboltnitratopløsning. "Denne undersøgelse viser, at en synlig lys-drevet fotoelektrokemisk celle til vandoxidation kan konstrueres ved brug af jordrige metaller uden behov for komplicerede forberedelsesprocedurer, " bemærker prof. Kazuhiko Maeda, der ledede forskningen.

Gennem flere typer spektrometrianalyser og scanningselektronmikroskopi, forskerne identificerede den specifikke sammensætning og struktur af den koboltmodificerede overflade af TiO ₂ fotoanode for at forstå, hvordan kobolt tillader materialet at absorbere synligt lys for at mobilisere elektroner og forårsage vandoxidation. Det viser sig, at koboltdomæner ikke kun fanger synligt lys og overfører ladninger (elektroner) ved TiO ₂ grænseflade, men tjener også som katalytiske steder, der letter vandoxidation. I øvrigt, forskerne fandt, at strukturen af ​​basen TiO ₂ tynd film påvirker ydeevnen af ​​den endelige modificerede fotoanode, formentlig ved at give mulighed for en bedre eller dårligere indkvartering af koboltatomer. Strukturen af ​​TiO ₂ film kan nemt indstilles ved at justere fremstillingsparametre, hvilket gjorde det muligt for holdet at udføre flere test for at få indsigt i dette fænomen.

Der mangler stadig mere arbejde, da det vil være nødvendigt yderligere at optimere designet af fotoanoden for at forbedre ladningsoverførselsprocessen, der finder sted mellem koboltatomerne og TiO ₂ substrat for at opnå højere vandoxidationshastigheder. Alligevel, en stor fordel ved det foreslåede vandoxidationssystem er, at det ikke er opofrende; med andre ord, de anvendte materialer er ikke afhængige af energirige oxidanter og/eller reduktionsmidler (dvs. offerreagenser). "Indtil nu, kobolt-sensibiliserede vandfotooxidationssystemer havde bestået af pulverbaseret fotokatalyse, som kun virker i nærværelse af en offerelektronacceptor. Derfor, denne undersøgelse demonstrerer også offerreagensfri vandspaltning med synligt lys ved brug af et kobolt-sensibiliseret halvledermateriale (TiO) ₂ ), " konkluderer Prof. Maeda. Denne undersøgelse vil forhåbentlig fungere som et springbræt for alle dem, der forsøger at opnå en overkommelig vandopdeling for at sikre en grønnere fremtid.