Hurtigere detektion af fotokatalysator-genereret oxygen har store konsekvenser for ren energi

I øjeblikket, størstedelen af ​​den energi, der forbruges af verdens befolkning, stammer fra olie og andre ikke-vedvarende ressourcer, som er i fare for at løbe tør i den nærmeste fremtid. Derfor har udviklingen af ​​kunstige fotosyntesemetoder ved hjælp af fotokatalysatorer til at producere kemisk energi (brintbrændstof) fra sollys og vand fået stor opmærksomhed, og forskellige forskningsprojekter udføres på dette område.

Under kunstig fotosyntese, ilt (O ₂ ) produceres af fotokatalysatoren via vandspaltningsreaktionen. Arbejder med forskere fra Kanazawa University, Shinshu University og Tokyo University, Professor Onishi Hiroshi et al. fra Kobe University's Graduate School of Science udviklet en måleevalueringsmetode, som er i stand til at detektere O ₂ 1000 gange hurtigere end konventionelle metoder. Det er håbet, at metoden udviklet gennem denne forskning kan bruges til at forbedre vores forståelse af reaktionsmekanismerne bag kunstig fotosyntese og bidrage til at udvikle fotokatalysatorer, der kan implementeres i den virkelige verden.

Vigtigheden af ​​at offentliggøre disse forskningsresultater så hurtigt som muligt er blevet anerkendt; papiret offentliggjort i American Chemistry Societys tidsskrift ACS katalyse fik en avanceret online udgivelse den 29. oktober, 2020.

Forskningsbaggrund

Kunstig fotosyntese, som kan bruges til at producere kemisk energi (brintbrændsel) fra sollys og vand, har fået stor opmærksomhed for sit potentiale til at give en energikilde, der ikke udleder CO ₂ .Fotokatalysatorer er nøglekomponenten i kunstig fotosyntese. Det første fotokatalysatormateriale blev opdaget og udviklet af japanske forskere i 1970'erne, og videnskabsmænd over hele verden har løbende stræbt efter at forbedre deres effektivitet i løbet af de sidste 50 år.

Den nuværende forskningsundersøgelse brugte et strontiumtitanat (SrTiO ₃ ) fotokatalysator, som oprindeligt blev udviklet af Special Contract Professor Domen Kazunari et al. fra Shinshu University (en medvirkende forsker til denne undersøgelse). Som et resultat af forskellige forbedringer foretaget af Shinshus lektor HISATOMI Takashi et al. (også en medvirkende forsker), dette fotokatalytiske materiale opnåede det højeste reaktionsudbytte (dvs. effektiviteten af ​​hydrogenomdannelse fra vand via belysning med ultraviolet lys) i verden. Det sidste tilbageværende problem er at forbedre effektiviteten af ​​brintgenerering fra vand og sollys, i stedet for kunstigt ultraviolet lys. At overvinde dette problem ville betyde fødslen af ​​CO ₂ -fri teknologi, der producerer brintbrændstof, som kan bruges af samfundet.

Imidlertid, en faktor, der hindrer indsatsen for at forbedre konverteringseffektiviteten, er den lave mængde ilt, der produceres fra vandet, når der også produceres brint. For at danne brint (H2) fra vand (H2O) via kunstig fotosyntese, følgende kemiske reaktion skal finde sted:2H ₂ O → 2H ₂ + O ₂ . Selvom målet er at producere brint (som kan bruges som brændstof af samfundet) og ikke ilt, kemiens principper kræver, at der samtidig produceres ilt fra vandet, for at der kan produceres brint.

Desuden, processen med at generere ilt er mere kompliceret end processen med at generere brint, som følgelig gør det vanskeligt at forbedre effektiviteten af ​​reaktionen (iltatomerne taget fra to H ₂ O-partikler skal klæbe til hinanden). Dette er en flaskehals, der begrænser den effektive omdannelse af brint fra vand ved hjælp af sollys.

En løsning ville være at forbedre effektiviteten af ​​iltkonvertering fra vand, dette er dog ingen enkel sag. Det er ikke godt forstået, hvordan ilt genereres fra vand (dvs. mekanismen bag reaktionen), derfor at forsøge at forbedre denne reaktion svarer til at arbejde i mørke. For at belyse situationen, denne forskning havde til formål at udvikle en højhastighedsdetektionsmetode til at observere oxygen genereret af kunstig fotosyntese for at afsløre mekanismen bag vand-til-ilt-reaktionen.

Forskningsmetodologi

Denne forskningsundersøgelse brugte en metode til kemisk undervandsanalyse ved hjælp af mikroelektroder udviklet af Kanazawa Universitys professor TAKAHASHI Yasufumi et al. (medvirkende forsker) som den underliggende teknologi. Oxygen genereret fra den kunstige fotosyntese fotokatalysator blev detekteret, da den smeltede tilbage i vandet. Som vist i figur 1, strontiumtitanit-fotokatalysatorpanelet blev nedsænket i vand. Mikroelektroden, som bestod af en 20 mikrometer platintråd (ca. ¼ af et menneskehår) med siderne belagt med glas, blev sænket ned i vandet 100 mikrometer væk fra overfladen af ​​fotokatalysatorpanelet.

Når fotokatalysatorpanelet blev belyst af ultraviolet lys (med en bølgelængde på 280nm) fra en lysemitterende diode, ilt (O ₂ ) og hydrogen (H ₂ ) blev adskilt fra vandet, hvor det kom i kontakt med panelet. Disse oxygen- og brintmolekyler blev efterfølgende frigivet til vandet. Den frigivne oxygen blev spredt ud over vandet og nåede mikroelektroden. Oxygen, der nåede mikroelektroden, modtog fire elektroner (e-) fra elektroden, hvilket resulterede i følgende transformation:O ₂ + 2H ₂ O + 4e ⁻ → 4OH ⁻ .

Antallet af elektroner modtaget fra elektroden af ​​oxygen kan bestemmes ved at måle den elektriske strøm, der passerer gennem elektroden. Måling af den elektriske strøm, der passerede gennem elektroden hvert 0,1 sekund, gjorde det muligt for forskerne at beregne mængden af ​​ilt, der nåede elektroden hvert 0,1 sekund. Gaskromatografisk påvisning, det analytiske apparat, der hidtil har været brugt til iltdetektion, kan kun måle mængden af ​​ilt hvert tredje minut. Dette studie lykkedes med at udvikle en detektionsmetode, der er 1000 gange hurtigere.

Det er ikke svært at beregne den tid, der kræves for ilten at rejse de 100 mikrometer gennem vandet fra fotokatalysatorpanelet til elektroden. Dette kan opnås ved at udføre numeriske simuleringer på en stationær computer, baseret på Ficks diffusionslove. Sammenligning af måleresultaterne opnået fra mikroelektroden med dem fra simuleringen afslørede, at der var en forsinkelse på et til to sekunder mellem fotokatalysatorpanelet, der blev oplyst af UV-lys, og ilten blev frigivet til vandet. Denne forsinkelse er et nyt fænomen, som ikke kunne observeres via gaskromatografisk detektion.

Det antages, at denne forsinkelse er et nødvendigt forberedende trin for, at den belyste fotokatalysator kan begynde vandspaltning. Fremtidig forskning vil søge at bekræfte denne hypotese, udover at undersøge, hvad fotokatalysatoren laver under forberedelsesfasen. Alligevel, det forventes, at iltdetektionsmetoden udviklet i denne undersøgelse, hvilket er 1000 gange hurtigere end tidligere detektionsmetoder, vil føre til nye udviklinger inden for kunstig fotosyntese.

Professor Onishi Hiroshi, Graduate School of Science, Kobe Universitet, siger, "Jeg er specialist i fysisk kemi, og ideen til at detektere oxygen genereret via kunstig fotosyntese ved hjælp af en mikroelektrode kom til mig i 2015. På Kobe University, vi opsætter måleapparatet udviklet af professor Takahashi et al., som er eksperter i kemisk analyse ved hjælp af mikroelektroder, og begyndte at anvende det på fotokatalysatorer.

"Ved at forbedre apparatet og akkumulere knowhow om dets drift, vi bekræftede, at denne metode er i stand til at måle oxygen genereret fra fotokatalysatorpanelet leveret af professor Domen og lektor Hisatomi et al., der er autoriteter inden for fotokatalysatorforskning.

"Ud over, tre kandidatstuderende ved Kobe University's Graduate School of Science stod i spidsen for denne forskning i den femårige periode, der spænder fra udviklingen af ​​computerprogrammet til den numeriske simulering til opdagelsen af ​​'iltfrigivelsesforsinkelsen'.

"De tre hold bragte de forskellige træk ved deres respektive områder inden for fysisk kemi, analytisk kemi og katalysatorkemi til udviklingen af ​​denne forskning. Gennem dette samarbejde det lykkedes os at bidrage med et nyt perspektiv til videnskaben om kunstig fotosyntese."