Ætsning af vejen til en brintøkonomi ved hjælp af plasmastråler

Brint er en ren energikilde, der kan produceres ved at splitte vandmolekyler med lys. Imidlertid, det er i øjeblikket umuligt at opnå dette i stor skala. I et nylig gennembrud, forskere ved Tokyo University of Science, Japan, har udviklet en ny metode, der anvender plasmaudladning i opløsning til at forbedre fotokatalysatorens ydeevne i vandspaltningsreaktionen. Dette åbner døre for at undersøge en række fotokatalysatorer, der kan hjælpe med at opskalere denne reaktion.

Den stadigt forværrede globale miljøkrise, kombineret med udtømning af fossile brændstoffer, har motiveret forskere til at lede efter rene energikilder. Brint (H ₂ ) kan tjene som et miljøvenligt brændstof, og brintproduktion er blevet et varmt forskningsemne. Selvom ingen endnu har fundet en energieffektiv og overkommelig måde at producere brint i stor skala, fremskridt på dette område er støt, og forskellige teknikker er blevet foreslået.

En sådan teknik indebærer at bruge lys og katalysatorer (materialer, der fremskynder reaktioner) til at spalte vand (H ₂ O) til hydrogen og ilt. Katalysatorerne har krystallinske strukturer og evnen til at adskille ladninger ved grænsefladerne mellem nogle af deres sider. Når lyset rammer krystallen i visse vinkler, energien fra lyset absorberes i krystallen, forårsager visse elektroner til at blive fri fra deres originale kredsløb omkring atomer i materialet. Når en elektron forlader sit oprindelige sted i krystallen, en positivt ladet ledig stilling, kendt som et hul, er skabt i strukturen. Generelt, disse "ophidsede" tilstande varer ikke længe, og frie elektroner og huller rekombinerer til sidst.

Dette er tilfældet med vismutvanadat (BiVO ₄ ) krystalkatalysatorer også. BiVO ₄ er for nylig blevet undersøgt for vandopdelende reaktioner, givet sit løfte som et materiale, hvor ladningsseparation kan forekomme ved excitation med synligt lys. Den hurtige rekombination af par af ladede enheder ("bærere") er en ulempe, fordi bærere separat skal deltage i reaktioner, der bryder vand op.

I en nylig undersøgelse offentliggjort i Chemical Engineering Journal , forskere fra Photocatalysis International Research Center ved Tokyo University of Science, Japan, sammen med forskere fra Northeast Normal University i Kina, udviklet en ny metode til at forbedre ladningsseparationsegenskaberne ved decahedral (ti-sidet) BiVO ₄ krystalkatalysatorer. Professor Terashima, hovedforsker i undersøgelsen, forklarer, "Nylige undersøgelser har vist, at bærere kan genereres og adskilles ved grænsefladerne mellem de forskellige flader på visse krystaller. I tilfælde af BiVO ₄ , imidlertid, de kræfter, der adskiller bærere, er for svage til elektronhulspar, der genereres lidt væk fra grænsefladerne. Derfor, bærerseparation i BiVO ₄ decahedrons opfordrede til yderligere forbedringer, som motiverede os til at udføre denne undersøgelse. "

I den teknik, de foreslår, BiVO ₄ nanokrystaller udsættes for det, der kaldes "opløsning plasmaudladning", en stærkt ladet stråle af energisk stof, der produceres ved at anvende høje spændinger mellem to terminaler, der er nedsænket i vand. Plasmaudladningen fjerner nogle vanadium (V) -atomer fra overfladen af ​​specifikke flader af krystallerne, forlader vanadium -stillinger. Disse ledige stillinger fungerer som "elektronfælder", der letter den øgede adskillelse af bærere. Fordi disse ledige stillinger er større på decahedrons otte sideflader, elektroner er fanget på disse flader, mens huller ophobes på toppen og bunden. Denne øgede ladningsadskillelse resulterer i bedre katalytisk ydelse af BiVO ₄ nanokrystaller, derved forbedrer dens vandopdelingsevne.

Denne undersøgelse repræsenterer en ny anvendelse af opløsning af plasmaudladning til forbedring af krystallers egenskaber. Prof Akira Fujishima, medforfatter af papiret, siger, "Vores arbejde har inspireret os til at genoverveje andre krystaller, der tilsyneladende er ineffektive for vandspaltning. Det giver en lovende strategi ved hjælp af opløsningsmiddel til at 'aktivere' dem." Anvendelsen af ​​opløsning-plasma-udledning har mange fordele i forhold til at bruge konventionelt gasformet plasma, der gør det langt mere attraktivt både fra teknisk og økonomisk synspunkt. Prof Xintong Zhang fra Northeast Normal University, Kina, bemærkninger, "I modsætning til gasformigt plasma, som skal genereres i lukkede kamre, opløsningsplasma kan dannes i en åben reaktor ved stuetemperatur og i en normal luftatmosfære. Ud over, ved at arbejde med krystalpulvere i en opløsning, det bliver mere bekvemt at ændre parametrene for processen, og det er også lettere at skalere. "

Denne undersøgelse tager os forhåbentlig et skridt tættere på en effektiv måde at producere brint på, så vi endelig kan undvære fossile brændstoffer og andre energikilder, der er skadelige for vores planet. Yderligere kommentarer til løftet om denne undersøgelse, Prof Terashima siger, "Hvis der kan produceres effektiv hydrogenenergi ved hjælp af sollys og vand, to af de mest rigelige ressourcer på jorden, et drøm rent samfund kunne realiseres. "