NUS-kemister har utvecklat kolkonjugerade kovalenta organiska ramverk för synligt ljusdriven katalytisk produktion av vätgas från vatten.

Vätgas blir allt viktigare som lagringsmedium för hållbara energitillämpningar. Användning av solljus, en förnybar och hållbar energikälla för att bryta ner vatten i vätgas väcker stort vetenskapligt intresse. Dock, denna omvandling från vatten till vätgas sker inte spontant. Det kräver ett komplext system som involverar ett flöde av fria elektroner som genereras av ljuskällan som fungerar som en elektrisk ström för att dela vattenmolekylen.

Forskargruppen som leds av prof JIANG Donglin från kemiska institutionen, NUS har utvecklat en ny klass av fotokatalysatorer som använder kolkonjugerade kovalenta organiska ramverk (COF) för vätgasproduktion från vatten med hjälp av solenergi. Forskargruppen konstruerade ett organiskt men robust material där kolbaserade byggstenar är förbundna med specifika bindningar på ett topologiskt förutbestämt ordnat sätt. Denna unika molekylstruktur ser ut som staplade lager av tvådimensionella nätverk och kan skörda solljus effektivt. Forskarna satte in platina nanopartiklar som reaktionscentra i COF och under strålning av synligt ljus (≥ 420 nm), vätgas genererades med en jämn hastighet av 1, 360 μmol h-1g-1 under en period av fem timmar.

Den nyutvecklade fotokatalysatorn har flera molekylära mekanismer som gör att den effektivt kan producera vätgas från vatten. Den består av sp2-kolramar som är π-konjugerade med låga energibandgap. Detta möjliggör absorption av ljus från det synliga till det nära infraröda spektrumet. Forskarna konstruerade också periferin (yttersta kantpositionen) av det skiktade tvådimensionella gallret med elektronbristade enheter för att syntetiskt styra de elektroniska och fotoelektriska egenskaperna hos fotokatalysatorn. Dessutom, eftersom strukturen har täta och ordnade kolumnära π-matriser, dessa tillhandahåller vägar för att underlätta excitoner (en exciton är ett bundet tillstånd för ett elektronhålspar) migration och laddningstransport.

Prof Jiang sa:"Nanopartiklar som platina kan laddas i porerna eller på fotokatalysatorns yta för att fungera som reaktionscentra. Detta förkortar elektronöverföringsavståndet och främjar ackumulering av elektroner, förbättra konverteringsprestandan. "

"Vi räknar med att detta arbete kan erbjuda den strukturella och mekanistiska basen för skalbar och hållbar bränsleproduktion från vatten och solljus, "tillade prof Jiang.