Team udvikler lysdrevet katalysator til fremstilling af brint

Et hold fra UPC og Catalan Institute of Nanoscience and Nanotechnology (ICN2) har designet en effektiv og stabil fotokatalysator, der er i stand til at producere brint direkte ved hjælp af sollys. Resultaterne er publiceret i tidsskriftet Nature Communications .

Brint er afgørende for den energiomstilling, så længe det er produceret fra vedvarende kilder (grøn brint). Det har længe været kendt, at elektroner i nogle halvledere kan deltage i kemiske reaktioner, når de belyses af sollys.

Det er tilfældet med titaniumdioxid, et billigt og harmløst materiale, der er meget brugt som hvidt pigment i maling, plast, papir, blæk og kosmetik. De exciterede elektroner i titaniumdioxid er i stand til at generere brint fra protonerne i vand og organiske forbindelser. Imidlertid er brintproduktionen meget lav, fordi elektronerne har en tendens til at slappe af i stedet for at reagere, så effektiviteten af ​​processen er for lav fra et praktisk synspunkt.

Denne begrænsning kan overvindes ved at bringe titaniumdioxid i kontakt med metalnanopartikler, der fungerer som elektronfiltre, og forlænger elektronernes levetid i exciteret tilstand, så de kan reagere og producere brint. Dette giver os mulighed for at opnå hundredvis af gange højere udbytter.

Denne undersøgelse er et skridt fremad for bæredygtig brintproduktion. Det blev ledet af Ramón y Cajal-forsker Lluís Soler og professor Jordi Llorca fra ENCORE-NEMEN-forskningsgruppen ved Institut for Kemiteknik og Institut for Energiteknologier ved Universitat Politècnica de Catalunya—BarcelonaTech (UPC). De er også en del af det specifikke center for brintforskning (CER-H2).

Ved hjælp af en mekanokemisk proces deponerede forskerne metalklynger på titaniumdioxid-nanopartikler af forskellige morfologier og fandt ud af, at de forskellige udsatte krystallografiske flader af titaniumdioxid også spiller en nøglerolle i brintproduktionen. Både fotokatalysatorernes stabilitet og styrken af ​​elektronoverførsel mellem halvlederen og metalnanopartiklerne er stærkt relateret til halvlederens udsatte flader, som er ansvarlige for atommobilitet og aggregering.

Resultaterne er klare. Når platinklynger aflejres på oktaedriske titandioxid-nanopartikler, opnås en fotokatalysator, der producerer større mængder brint og, endnu vigtigere, er meget mere stabil end nogen anden kombination. Undersøgelsen er et bemærkelsesværdigt eksempel på, hvordan nanoteknologi kan anvendes til at designe nye enheder inden for energi.

For at forstå resultaterne har Ramón y Cajal-forsker Claudio Cazorla fra UPC's Institut for Fysik udført kvantemekaniske beregninger for at studere den elektroniske struktur af fotokatalysatorerne, som blev sammenlignet med resultaterne af røntgenfotoelektronspektroskopi opnået på UPC's forskningscenter i Multiscale Science and Engineering. Centret er placeret på Diagonal-Besòs Campus, ligesom Barcelona East School of Engineering (EEBE), hvor forskerne også underviser.

Resultaterne af denne forskning vil muliggøre design af nye katalysatorer til effektiv og bæredygtig produktion af grøn brint. Arbejdet er allerede i gang hos UPC'erne på det specifikke center for brintforskning for at omsætte disse resultater i praksis.

Flere oplysninger: Yufen Chen et al., Facet-konstrueret TiO2 driver fotokatalytisk aktivitet og stabilitet af understøttede ædelmetalklynger under H2-evolution, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-41976-2

Leveret af Universitat Politècnica de Catalunya · BarcelonaTech (UPC)