Nanomaterialer med potentiale for miljøvenlig brintproduktion

I en artikel i tidsskriftet Energi- og miljøvidenskab , forskere fra Uppsala Universitet, Sverige, præsentere en form for billige og miljøvenlige organiske polymer-nanomaterialer som fotokatalysatorer til hydrogenproduktion, og foreslå arbejdsmekanismen for det fotokatalytiske reaktive sted.

Udvikling af fotokatalysatorer til lysdrevet brintproduktion fra vand er en ideel måde at konvertere og lagre solenergi på. På grund af begrænset lysabsorption, dyre og potentielle metalforurenende stoffer fra uorganiske katalysatorer, forskere er begyndt at lede efter organisk alternativ. I dette arbejde, forskerne i Uppsala har undersøgt organiske polymerer som fotokatalysatorer (lysdrevne katalysatorer). Flaskehalsen for alle eksisterende organiske fotokatalyt er, at de er hydrofobe (vanduopløselige), gør det svært for protoner at trænge ind i materialernes porer og interagere med reaktive steder. Følgelig, udførelsen af ​​fotokatalyse baseret på disse materialer ligger stadig bag ved de traditionelle metalbaserede uorganiske fotokatalysatorer. Forskere er nødt til at tilføje en masse organisk opløsningsmiddel i reaktoren for at gøre en god dispensabilitet af organisk polymer fotokatalysator.

Ved hjælp af en såkaldt Nano-skala nedbørsmetode til at forberede den organiske polymere fotokatalysator til små nanoskalerede partikler (Pdots) kan gøre den organiske fotokatalysator pænt spredt i vandig opløsning. "Med hjælp fra hydrofil co-polymer, vi er i stand til at levere protonkanaler inde i Pdot -fotokatalysatoren for at efterligne det naturlige fotosyntesesystem. Dette kan dramatisk forbedre ydeevnen for brintproduktion "siger Haining Tian, Docent fra Institut for Kemi - Ångström Laboratorium. Hans forskningsgruppe offentliggjorde proof-of-concept-arbejdet sidste år (i Angew. Chem. Int. Ed., 2016, 55 (40), 12306). For at forstå mere om systemet og yderligere forbedre det, Haining Tian sammen med sin forskningskollega C. Moyses Araujo fra Institut for Fysik-Ångström Laboratory har i fællesskab ledet arbejdet med at grave de reaktive steder i Pdot-fotokatalyt og fotokatalytisk arbejdsmekanisme ud.

Ved at justere strukturen af ​​polymerer og evaluere forskellige fotokatalytiske mekanismer, forskerne kunne omtrent finde de reaktive steder placeret ved elektronacceptorenhederne og konkluderede, at heteroatomer skulle spille en afgørende rolle for fotokatalytse. "Det er svært at eksperimentelt få nøjagtige oplysninger om, hvilket heteroatom, enten N eller S, er det reaktive sted i elektronacceptorenheden "siger Haining Tian. Med hjælp fra en beregningsundersøgelse baseret på teorier om første principper, forskerne målrettede til sidst det virkelige reaktive sted i Pdots fotokatalysatorer - N -atomerne - og konkluderede også, at den unikke Pdots -struktur er gavnlig for protonreduktionsreaktion. "Hydrogenbinding dannet mellem to polymerer i Pdot -fotokatalysatorer sænker energibarrieren for protonreduktionsreaktion betydeligt. Pdots er virkelig en type ideelle fotokatalysatorer" siger C. Moyses Araujo.

På baggrund af dette arbejde, forskerne sigter nu mod en mere effektiv og stabil Pdots -katalysator ved rimeligt at tilpasse polymerstrukturen til lysdreven brintproduktion.