Nyt nanomateriale udviklet til at spalte vandmolekyler, få dihydrogen under sollys

Forskere ved Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) har udviklet et hybridmateriale konstrueret af et metaloxid nanoark og et lysabsorberende molekyle til at spalte vandmolekyler for at opnå dihydrogen (H) ₂ ) under sollys. Siden H ₂ kan bruges som kulfrit brændstof, denne undersøgelse giver relevant indsigt i ren energiproduktion.

I takt med udtømningen af ​​fossile brændstoffer og miljøproblemerne på grund af deres forbrænding, udvikling af teknologi til ren energiproduktion er et emne af global interesse. Blandt de forskellige metoder, der foreslås til at generere ren energi, fotokatalytisk vandspaltning viser meget lovende. Denne metode udnytter solenergi til at spalte vandmolekyler og opnå dihydrogen (H ₂ ). H ₂ kan derefter bruges som et kulfrit brændstof eller som råmateriale i produktionen af ​​mange vigtige kemikalier.

Nu, et forskerhold ledet af Kazuhiko Maeda ved Tokyo Tech har udviklet en ny fotokatalysator bestående af metaloxidplader i nanoskala og et rutheniumfarvestofmolekyle, som virker efter en mekanisme svarende til farvesensibiliserede solceller. Mens metaloxider, der er fotokatalytisk aktive for den samlede vandopdeling i H ₂ og O ₂ har brede båndgab, farvestofsensibiliserede oxider kan bruge synligt lys, hovedkomponenten i sollys (figur 1). Den nye fotokatalysator er i stand til at generere H ₂ fra vand med en omsætningsfrekvens på 1960 i timen og et eksternt kvanteudbytte på 2,4 %.

Disse resultater er de højeste registrerede for farvestofsensibiliserede fotokatalysatorer under synligt lys, bringer Maedas team et skridt tættere på målet om kunstig fotosyntese – replikerer den naturlige proces med at bruge vand og sollys til bæredygtigt at producere energi.

Det nye materiale, rapporteret i Journal of the American Chemical Society , er konstrueret af calciumniobat nanoplader med højt overfladeareal (HCa ₂ NB ₃ O ₁₀ ) interkaleret med platin (Pt) nanoclusters som H ₂ -websteder i udvikling. Imidlertid, de platinmodificerede nanoark fungerer ikke alene, da de ikke absorberer sollys effektivt. Så et synligt lysabsorberende ruthenium farvestof molekyle er kombineret med nanoarket, muliggør solcelledrevet H ₂ evolution (figur 2).

Det, der gør materialet effektivt, er brugen af ​​nanoark, som kan opnås ved kemisk eksfoliering af lamellær HCA ₂ NB ₃ O ₁₀ . Nanopladernes høje overfladeareal og strukturelle fleksibilitet maksimerer farvepåfyldning og tæthed af H ₂ udviklingssteder, som igen forbedrer H ₂ evolution effektivitet. Også, for at optimere ydeevnen, Maedas team modificerede nanopladerne med amorft aluminiumoxid, som spiller en vigtig rolle i at forbedre elektronoverførselseffektiviteten. "Udtil uset, aluminiumoxidmodifikationen for nanoplader fremmer farvestofregenerering under reaktionen uden at hindre elektroninjektion fra den exciterede tilstandsfarve til nanoarket - det primære trin i farvesensibiliseret H ₂ udvikling, " siger Maeda.

"Indtil for nylig, det blev anset for meget vanskeligt at opnå H ₂ udvikling via generel vandspaltning under synligt lys ved hjælp af en farvefølsom fotokatalysator med høj effektivitet, " forklarer Maeda. "Vores nye resultat viser tydeligt, at dette faktisk er muligt, ved hjælp af en omhyggeligt designet molekyle-nanomateriale-hybrid."

Mere forskning er påkrævet, da det vil være nødvendigt at optimere designet af hybridfotokatalysatoren yderligere for at forbedre effektiviteten og langtidsholdbarheden. Fotokatalytisk vandspaltning kan være et afgørende middel til at opfylde samfundets energibehov uden yderligere at skade miljøet, og undersøgelser som denne er vigtige trædesten til at nå vores mål om en grønnere fremtid.