En forskargrupp som leds av docent Tachikawa Takashi vid Kobe Universitys Molecular Photoscience Research Center har lyckats utveckla en strategi som kraftigt ökar mängden väte som produceras från solljus och vatten med hjälp av hematitfotokatalysatorer.

Väte har uppmärksammats som en möjlig nästa generations energilösning, och det kan produceras från solljus och vatten med hjälp av fotokatalysatorer. För att göra detta praktiskt möjligt, det är nödvändigt att utveckla grundteknik för att optimera fotokatalysatorernas potential, förutom att hitta nya material för katalysatorer.

Den här gången, Tachikawa et al. framgångsrikt producerat en fotoanod med en extremt hög konduktivitet. Detta uppnåddes enbart genom glödgning av hematitmesokristaller, (överbyggnader bestående av små nanopartiklar på ca 5 nm) till ett transparent elektrodsubstrat. Hematit kan absorbera ett brett spektrum av synligt ljus och är säkert, stabil, och billigt.

Med denna fotoanod, elektronerna och hålen som produceras av ljuskällan separeras snabbt och, på samma gång, ett stort antal hål ackumuleras tätt på partiklarnas yta. Ackumuleringen av hål förbättrade effektiviteten av vattenoxidationsreaktionen; den långsamma oxidationen av vattnet har tidigare varit en flaskhals vid vattenspridning.

Förutom att öka den höga effektiviteten hos det som anses vara världens högst presterande fotoanod, denna strategi kommer också att tillämpas på artificiell fotosyntes och solvattenspridande teknik via samarbeten mellan universitetet och industrier.

Dessa resultat kommer att publiceras i den tyska kemitidskriften online Angewandte Chemie International Edition den 30 april. Detta arbete fanns också på insidan av omslaget.

Huvudpunkter:

• Många syretillgångar bildades inuti hematitmesokristallerna genom att ackumulera och sintra små mycket orienterade nanopartiklar på mindre än 10 nanometer.
• Närvaron av syreflöden förbättrade ledningsförmågan hos fotokatalysatorelektroden, samtidigt som den ger en betydande ytpotentialgradient, vilket främjar separationen av elektroner och hål.
• Samtidigt rörde sig en stor mängd hål till partiklarnas yta, tillåter en hög syreutveckling från vatten. Detta gjorde det möjligt för forskarna att uppnå världens högsta solvattenspridande prestanda för hematitanoder.
• Denna strategi kan tillämpas på ett brett spektrum av fotokatalysatorer, börjar med solvattensplittring.

Med världen inför ökande miljö- och energifrågor, väte har uppmärksammats som en av de möjliga nästa generations energikällor. Helst, fotokatalysatorer kan användas för att omvandla vatten och solljus till väte. Dock, en omvandlingsfrekvens för solenergi på över 10% är nödvändig för att ett sådant system ska kunna användas industriellt. Med hjälp av Japans styrkor i upptäckten av nya material, Det är viktigt att etablera en gemensam grundteknik som kan låsa upp fotokatalysatorernas potential för att uppnå detta mål.

Tidigare, Tachikawa et al. utvecklat "mesokristallteknik", vilket innebär exakt anpassning av nanopartiklar i fotokatalysatorer för att kontrollera flödet av elektroner och deras hål. Nyligen, de tillämpade denna teknik på hematit (a-Fe ₂ O ₃ ), och lyckades dramatiskt öka konverteringsfrekvensen.

Den här gången, de kunde höja konverteringsfrekvensen upp till 42% av dess teoretiska gräns (16%) genom att syntetisera små nanopartikelunderenheter i hematiten.

Mesocrystal -teknik:

Det största problemet som orsakar en nedgång i konverteringsfrekvensen i fotokatalytiska reaktioner är att elektronerna och hålen som produceras av ljus rekombineras innan de kan reagera med molekylerna (i detta fall, vatten) på ytan. Tachikawa et al. skapade hematit -mesokristallöverbyggnader med mycket orienterade nanopartiklar via solvotermisk syntes. De kunde utveckla ledande mesokristallfotoanoder för vattensplittring genom att ackumulera och sintra mesokristaller på det transparenta elektrodsubstratet (figur 1).

Bildning och prestanda av fotokatalysator:

Mesokristalliska fotoanoder framställdes genom att belägga det transparenta elektrodsubstratet med hematitmesokristaller innehållande titan och sedan glödga dem vid 700 ºC. En samkatalysator avsattes på ytan av mesokristallerna. När fotokatalysatorerna placerades i en alkalisk lösning och belystes med artificiellt solljus, vattensplittningsreaktionen ägde rum vid en fotoströmtäthet av 5,5 mAcm-2 under en applicerad spänning på 1,23 V (figur 1). Detta är den högsta prestanda som uppnåtts i världen för hematit, som är ett av de mest idealiska fotokatalysatormaterialen på grund av både dess låga kostnad och ljusabsorberande egenskaper. Dessutom, hematit mesokristall fotoanoder fungerade stabilt under upprepade experiment under 100 timmar.

Nyckeln till att uppnå en hög omvandlingsfrekvens är storleken på nanopartiklarna som utgör mesokristallstrukturen. Det är möjligt att kraftigt öka mängden syretillgångar som bildas under sintringsprocessen genom att göra nanopartiklarna så små som 5 nm och öka anslutningsgränssnitten mellan nanopartiklarna. Detta ökade elektrontätheten, och signifikant ökade konduktiviteten hos mesokristaller (figur 2).

Den höga elektrontätheten är ansluten till bildandet av ett stort band som böjer sig nära mesokristallytan. Detta främjar den initiala laddningsseparationen och gör det lättare för hål att ackumuleras på ytan. Detta resultat optimerades på grund av mesokristallernas lilla nanopartikelstruktur, och förstärkte vattenoxideringsreaktionen som hade varit en flaskhals för effektiv vattensplittring (Figur 3).

Denna studie avslöjade att mesokristallteknik kan avsevärt minimera rekombinationsfrågan, vilket är huvudorsaken till låg effektivitet i fotokatalysatorer, och exponentiellt påskynda vattensplittningsreaktionen.

Man hoppas att denna strategi också kan tillämpas på andra metalloxider. Nästa, forskarna kommer att samarbeta med industrier för att optimera hematit -mesokristall -fotoanoder och implementera ett industrisystem för att producera väte från solsken. På samma gång, strategin som utvecklats av denna studie kommer att tillämpas på olika reaktioner, inklusive artificiell fotosyntes.