Ny fotokatalysator øger vandspaltningseffektiviteten til ren brintproduktion

I en første fase er en farvefølsom fotokatalysator, der muliggør den mest effektive solvandsspaltningsaktivitet, der er registreret til dato (for lignende katalysatorer), blevet optimeret af forskere fra Tokyo Tech. Deres overflademodificerede, farvefølsomme nanoarkkatalysator viser et enormt potentiale, da det kan undertrykke uønsket tilbageelektronoverførsel og forbedre vandspaltningsaktiviteten op til hundrede gange.

En af de enkleste måder, hvorpå vandmolekyler kan opdeles til brint, er ved at bruge fotokatalysatorer. Disse materialer, som er halvledere, der kan absorbere lys og udføre vandspaltningsreaktioner samtidigt, giver en enkel opsætning til masseproduktion af brint. Halvledere kan generere et elektron-hul-par til vandspaltningsreaktionen; men da ladningsbærerne har en tendens til at rekombinere, er der udviklet et "Z-skema" fotokatalytisk system, der involverer to halvledermaterialer og en elektronmediator til at undertrykke dette.

I denne opsætning er elektronmediatoren, som typisk er et reversibelt elektronacceptor/donorpar (såsom I₃ ^- /I ^- ), accepterer elektroner fra en af ​​fotokatalysatorerne og donerer dem til den anden. Dette adskiller ladningsbærerne mellem halvlederne. På trods af eliminering af ladningsrekombinationen i halvlederen, er den elektronaccepterende art (I₃ ^- ) konkurrerer med brintfotokatalysatoren om elektroner, hvilket resulterer i dårlig energiomdannelseseffektivitet fra sol til brint.

For at forbedre brintproduktionen har et team af internationale forskere, herunder den særligt udpegede adjunkt Shunta Nishioka og professor Kazuhiko Maeda fra Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) arbejdet på måder at forhindre den utilsigtede elektronoverførsel. Om at eksperimentere med ruthenium (Ru) farvestofsensibiliserede niobatfotokatalysatorer (Ru/Pt/HCa₂ Nb₃ O₁₀ ), bemærkede forskerne, at brintproduktionen stiger markant ved lav I₃ ^- koncentrationer. Disse resultater førte dem til at udvikle et effektivt vandopdelingssystem, der består af en oxygenudviklingsfotokatalysator og et modificeret Ru-farvestofsensibiliseret niobat-nanoark, der fungerer som en fotokatalysator for bedre hydrogenudvikling. "Vi har med succes forbedret effektiviteten af ​​et Z-skema overordnet vandopdelingssystem ved at bruge en overflademodificeret farvestof-sensibiliseret nanosheet fotokatalysator," siger prof. Maeda. Resultaterne af deres undersøgelse er blevet offentliggjort i tidsskriftet Science Advances .

For at beholde I₃ ^- koncentration i reaktionssystemet lav, en PtO_x /H-Cs-WO₃ fotokatalysator bruges som oxygenudviklingskatalysator. Samtidig er Al₂ O₃ og poly(styrensulfonat) (PSS) tilsættes for at undertrykke tilbageelektronoverførslen fra halvlederen til det oxiderede Ru-kompleks og I₃ ^- ion, henholdsvis. Dette design gør det muligt for flere elektroner at deltage i hydrogenudviklingsreaktionen, hvilket resulterer i det hidtil mest effektive Z-skema vandopdelingssystem. "Overflademodifikationen af ​​den farvefølsomme nanosheet-fotokatalysator forbedrede solvandsspaltningsaktiviteten med næsten 100 gange, hvilket gjorde den sammenlignelig med konventionelle halvlederbaserede fotokatalysatorsystemer," siger prof. Maeda.

Med tilbageelektronoverførslen undertrykt, kunne den udviklede fotokatalysator også opretholde brintproduktion ved lave lysniveauer, hvilket giver den en fordel i forhold til andre fotokatalysatorer, der kræver høje lysintensiteter. Ved at minimere virkningen af ​​tilbageelektronoverførselsreaktionerne har forskerne desuden ikke kun sat et nyt benchmark for farvesensibiliserede fotokatalysatorer til Z-skema vandspaltning, men også lagt rammerne for at forbedre andre farvestofsensibiliserede systemer, der bruges til andre vigtige reaktioner såsom CO₂ reduktion. + Udforsk yderligere

Spaltning af vand ved hjælp af vismutvanadat