Meget effektiv hydrogengasproduktion ved hjælp af sollys, vand og hæmatit

En forskningsgruppe ledet af lektor Tachikawa Takashi fra Kobe Universitets Molecular Photoscience Research Center er lykkedes med at udvikle en strategi, der i høj grad øger mængden af ​​brint produceret fra sollys og vand ved hjælp af hæmatitfotokatalysatorer.

Hydrogen har fået opmærksomhed som en mulig næste generations energiløsning, og det kan fremstilles af sollys og vand ved hjælp af fotokatalysatorer. For at gøre dette praktisk muligt, det er nødvendigt at udvikle fundamentteknologier for at optimere fotokatalysatorernes potentiale, udover at finde nye materialer til katalysatorer.

Denne gang, Tachikawa et al. succesfuldt produceret en fotoanode med en ekstremt høj ledningsevne. Dette blev udelukkende opnået ved annealering af hæmatit -mesokrystaller, (overbygninger bestående af små nanopartikler på ca. 5 nm) til et gennemsigtigt elektrodesubstrat. Hæmatit kan absorbere en bred vifte af synligt lys og er sikkert, stabil, og billigt.

Med denne fotoanode, elektronerne og hullerne produceret af lyskilden adskilt hurtigt og, på samme tid, et stort antal huller akkumuleret tæt på overfladen af ​​partiklerne. Akkumuleringen af ​​huller forbedrede effektiviteten af ​​vandoxidationsreaktionen; vandets langsomme oxidation har tidligere været en flaskehals i vandspaltning.

Ud over at øge den høje effektivitet af det, der menes at være verdens bedst effektive fotoanode, denne strategi vil også blive anvendt på kunstig fotosyntese og solvandssplittende teknologier via samarbejder mellem universitetet og industrier.

Disse resultater vil blive offentliggjort i det tyske online kemitidsskrift Angewandte Chemie International Edition den 30. april. Dette arbejde blev også omtalt i indersiden af ​​omslaget.

Hovedpunkter:

• Der blev dannet utallige iltpladser inde i hæmatit-mesokrystaller ved at akkumulere og sintre små meget orienterede nanopartikler på mindre end 10 nanometer.
• Tilstedeværelsen af ​​iltfrie pladser forbedrede ledningsevnen for fotokatalysatorelektroden, samtidig giver den en betydelig overfladepotentialgradient, derved fremme adskillelsen af ​​elektroner og huller.
• På samme tid bevægede en stor mængde huller sig til overfladen af ​​partiklerne, tillader en høj iltudvikling fra vand. Dette gjorde det muligt for forskerne at opnå verdens højeste solvandsopdelende ydeevne for hæmatitanoder.
• Denne strategi kan anvendes på en lang række fotokatalysatorer, begyndende med solvandsopdeling.

Når verden står over for stigende miljø- og energispørgsmål, brint har fået opmærksomhed som en af ​​de mulige næste generations energikilder. Ideelt set, fotokatalysatorer kunne bruges til at omdanne vand og sollys til brint. Imidlertid, en omdannelseshastighed for solenergi på over 10% er nødvendig for at muliggøre et sådant system industrielt. Ved at udnytte Japans styrker i opdagelse af nye materialer, det er afgørende at etablere en fælles fundamentteknologi, der kan frigøre potentialet for fotokatalysatorer for at nå dette mål.

Tidligere har Tachikawa et al. udviklet 'mesocrystal technology', hvilket indebærer præcis at justere nanopartikler i fotokatalysatorer for at kontrollere strømmen af ​​elektroner og deres huller. For nylig, de anvendte denne teknologi til hæmatit (a-Fe ₂ O ₃ ), og det lykkedes dramatisk at øge konverteringsfrekvensen.

Denne gang, de var i stand til at hæve konverteringsfrekvensen op til 42% af dens teoretiske grænse (16%) ved at syntetisere bittesmå nanopartikelunderenheder i hæmatitten.

Mesocrystal teknologi:

Det største problem, der forårsager et fald i konverteringshastigheden i fotokatalytiske reaktioner, er, at elektronerne og hullerne, der produceres af lys, rekombinerer, før de kan reagere med molekylerne (i dette tilfælde, vand) på overfladen. Tachikawa et al. skabte hæmatit mesokrystal overbygninger med meget orienterede nanopartikler via solvothermal syntese. De var i stand til at udvikle ledende mesokrystalfotoanoder til vandopdeling ved at akkumulere og sintre mesokrystaller på det transparente elektrodesubstrat (figur 1).

Fotokatalysatordannelse og ydeevne:

Mesokrystalfotoanoder blev fremstillet ved at belægge det transparente elektrodesubstrat med hæmatitmesokrystaller indeholdende titanium og derefter udglødes ved 700 ºC. En co-katalysator blev afsat på overfladen af ​​mesokrystaller. Når fotokatalysatorerne blev placeret i en alkalisk opløsning og belyst med kunstigt sollys, vandspaltningsreaktionen fandt sted ved en lysstrømstæthed på 5,5 mAcm-2 under en påført spænding på 1,23V (figur 1). Dette er den højeste præstation i verden for hæmatit, som er et af de mest ideelle fotokatalysatormaterialer på grund af både dets lave omkostninger og lysabsorberingsegenskaber. Ud over, hæmatit -mesokrystal -fotoanoder fungerede stabilt under gentagne forsøg i løbet af 100 timer.

Nøglen til at opnå en høj konverteringsrate er størrelsen på nanopartiklerne, der udgør mesokrystalstrukturen. Det er muligt i høj grad at øge mængden af ​​iltmuligheder, der dannes under sintringsprocessen, ved at gøre nanopartiklerne så små som 5 nm og øge forbindelsesgrænsefladerne mellem nanopartiklerne. Dette øgede elektrontætheden, og øgede ledningsevnen for mesokrystaller betydeligt (figur 2).

Den høje elektrontæthed er forbundet med dannelsen af ​​et stort bånd, der bøjer nær mesokrystaloverfladen. Dette fremmer den første ladningsadskillelse samt gør det lettere for huller at akkumulere på overfladen. Dette resultat blev optimeret på grund af den lille nanopartikelstruktur af mesokrystaller, og øgede vandoxidationsreaktionen, der havde været en flaskehals for effektiv vandopdeling (figur 3).

Denne undersøgelse afslørede, at mesokrystalteknologi er i stand til væsentligt at minimere rekombinationsproblemet, som er hovedårsagen til lav effektivitet i fotokatalysatorer, og eksponentielt fremskynde vandspaltningsreaktionen.

Det håbes, at denne strategi også kan anvendes på andre metaloxider. Næste, forskerne vil samarbejde med industrier for at optimere hæmatit -mesokrystal -fotoanoder og implementere et industrielt system til produktion af brint fra sollys. På samme tid, strategien udviklet af denne undersøgelse vil blive anvendt på forskellige reaktioner, herunder kunstig fotosyntese.