Billig och enkel förbättring av fotoanoder för vattenoxidation. Kredit:Tokyo Institute of Technology
Forskare vid Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) demonstrerar det första fotoelektrokemiska systemet för synligt ljus för vattendelning med TiO 2 förstärkt med ett jordnära material - kobolt. Det föreslagna tillvägagångssättet är enkelt och representerar ett språngbräde i strävan att uppnå prisvärd vattenklyvning för att producera väte, ett rent alternativ till fossilt bränsle.
Fotoelektrokemisk vattenklyvning, den process genom vilken ljusenergi används för att dela vattenmolekyler till väte (H 2 ) och syre (O 2 ), är ett lovande tillvägagångssätt för att erhålla rent väte för användning som ett alternativt rent bränsle. Denna process utförs i elektrokemiska celler som innehåller en anod och en katod nedsänkt i vatten, som är anslutna via en extern krets.
Vid anoden, vattenoxidation inträffar, varvid O 2 produceras genom att hämta energi från ljusvågor. Dessa vågor överför energi till elektronerna i anodmaterialet, så att de kan röra sig genom den externa kretsen för att nå katoden. Här, de mottagna elektronerna och katodmaterialet orsakar H 2 att forma.
Hittills, det har varit svårt att hitta fotoelektrokemiska system som genomför denna process effektivt på grund av olika anledningar. Titandioxid (TiO 2 ), ett välkänt och allmänt använt fotoanodmaterial, kan bara absorbera energi från ljus i det ultravioletta området; det är, högenergiljus. Eftersom det vore att föredra att utnyttja energin från ljus med längre våglängder, TiO 2 kan blandas med ädelmetaller (som guld eller silver) för att göra den känslig för synligt ljus, men detta skulle vara dyrt i storskaliga tillämpningar.
För att hitta en lösning på detta problem, ett forskarlag från Tokyo Tech skapade den första fotoanoden för synligt ljus gjord av TiO 2 förstärkt med ett jordnära material - kobolt. Deras studie publicerad i ACS tillämpade material och gränssnitt förklarar den förvånansvärt enkla processen med fotoanodtillverkning; tunn TiO 2 filmer odlas på ett substrat genom en standardprocedur och sedan introduceras kobolt genom att nedsänka dem i en vattenhaltig koboltnitratlösning. "Denna studie visar att en synligt ljusdriven fotoelektrokemisk cell för vattenoxidation kan konstrueras genom användning av jordnära metaller utan behov av komplicerade förberedelseprocedurer, " anmärker Prof. Kazuhiko Maeda, som ledde forskningen.
Genom flera typer av spektrometrianalyser och svepelektronmikroskopi, forskarna identifierade den specifika sammansättningen och strukturen hos den koboltmodifierade ytan av TiO 2 fotoanod för att förstå hur kobolt tillåter materialet att absorbera synligt ljus för att mobilisera elektroner och orsaka vattenoxidation. Det visar sig att koboltdomäner inte bara fångar synligt ljus och överför laddningar (elektroner) vid TiO 2 gränssnitt, men fungerar också som katalytiska platser som underlättar vattenoxidation. Dessutom, forskarna fann att strukturen av basen TiO 2 tunn film påverkar prestandan hos den slutliga modifierade fotoanoden, förmodligen genom att möjliggöra en bättre eller sämre anpassning av koboltatomer. Strukturen av TiO 2 film kan enkelt ställas in genom att justera tillverkningsparametrar, vilket gjorde det möjligt för teamet att utföra flera tester för att få insikt om detta fenomen.
Mer arbete måste göras, eftersom det kommer att vara nödvändigt att ytterligare optimera designen av fotoanoden för att förbättra laddningsöverföringsprocessen som sker mellan koboltatomerna och TiO 2 substrat för att uppnå högre vattenoxidationshastigheter. Ändå, en stor fördel med det föreslagna vattenoxidationssystemet är att det inte är uppoffrande; med andra ord, de material som används är inte beroende av energirika oxidanter och/eller reduktionsmedel (d.v.s. offerreagenser). "Än så länge, kobolt-sensibiliserade vattenfotooxidationssystem hade bestått av pulverbaserad fotokatalys, som endast fungerar i närvaro av en offerelektronacceptor. Därför, den föreliggande studien visar också uppoffrande reagensfri vattenspaltning av synligt ljus med användning av ett koboltsensibiliserat halvledarmaterial (TiO) 2 ), " avslutar Prof. Maeda. Den här studien kommer förhoppningsvis att fungera som ett språngbräde för alla som försöker uppnå en överkomlig vattenklyvning för att säkerställa en grönare framtid.
