Väte är en ren energikälla som kan produceras genom att vattenmolekyler spjälkas med ljus. Dock, det är för närvarande omöjligt att uppnå detta i stor skala. I ett nyligen genombrott, forskare vid Tokyo University of Science, Japan, har utvecklat en ny metod som använder plasmaurladdning i lösning för att förbättra prestandan hos fotokatalysatorn i vattenuppdelningsreaktionen. Detta öppnar dörrar för att utforska ett antal fotokatalysatorer som kan hjälpa till att skala upp denna reaktion.

Den ständigt förvärrade globala miljökrisen, i kombination med utarmningen av fossila bränslen, har motiverat forskare att leta efter rena energikällor. Väte (H ₂ ) kan fungera som ett miljövänligt bränsle, och väteproduktion har blivit ett hett forskningsämne. Även om ingen ännu har hittat ett energieffektivt och prisvärt sätt att producera väte i stor skala, framstegen på detta område är stabila och olika tekniker har föreslagits.

En sådan teknik innebär att man använder ljus och katalysatorer (material som påskyndar reaktionerna) för att klyva vatten (H ₂ O) till väte och syre. Katalysatorerna har kristallina strukturer och förmågan att separera laddningar vid gränsytorna mellan några av deras sidor. När ljus träffar kristallen i vissa vinklar, energin från ljuset absorberas i kristallen, vilket gör att vissa elektroner blir fria från sina ursprungliga banor runt atomer i materialet. När en elektron lämnar sin ursprungliga plats i kristallen, en positivt laddad vakans, känd som ett hål, skapas i strukturen. Rent generellt, dessa "exciterade" tillstånd varar inte länge, och fria elektroner och hål rekombinerar så småningom.

Detta är fallet med vismutvanadat (BiVO ₄ ) kristallkatalysatorer också. BiVO ₄ har nyligen undersökts för vattenklyvningsreaktioner, givet sitt löfte som ett material där laddningsseparation kan ske vid excitation med synligt ljus. Den snabba rekombinationen av par av laddade enheter ("bärare") är en nackdel eftersom bärare separat måste delta i reaktioner som bryter upp vatten.

I en nyligen publicerad studie publicerad i Journal of Chemical Engineering , forskare från Photocatalysis International Research Center vid Tokyo University of Science, Japan, tillsammans med forskare från Northeast Normal University i Kina, utvecklat en ny metod för att förbättra laddningsseparationsegenskaperna hos dekaedriska (tiosidiga) BiVO ₄ kristallkatalysatorer. Prof Terashima, ledande forskare i studien, förklarar, "Närare studier har visat att bärare kan genereras och separeras vid gränssnitten mellan de olika ytorna på vissa kristaller. När det gäller BiVO ₄ , dock, krafterna som separerar bärare är för svaga för elektronhålspar som genereras något bort från gränssnitten. Därför, bärarseparation i BiVO ₄ dekaedrar krävde ytterligare förbättringar, vilket motiverade oss att genomföra denna studie. "

I den teknik de föreslår, BiVO ₄ nanokristaller utsätts för det som kallas "lösning plasmaurladdning", en högladdad stråle av energiskt material som produceras genom att applicera hög spänning mellan två terminaler nedsänkta i vatten. Plasmaflödet avlägsnar några vanadin (V) atomer från ytan på specifika ytor på kristallerna, lämnar vakanser i vanadin. Dessa lediga tjänster fungerar som "elektronfällor" som underlättar ökad separation av bärare. Eftersom dessa lediga platser är fler på decahedrons åtta sidoytor, elektroner är fångade på dessa ytor medan hål samlas på de övre och nedre ytorna. Denna ökade laddningsseparation resulterar i bättre katalytisk prestanda för BiVO ₄ nanokristaller, vilket förbättrar dess vattenspridningsprestanda.

Denna studie representerar en ny användning av lösningsplasmaurladdning för att förbättra kristallernas egenskaper. Prof Akira Fujishima, medförfattare till tidningen, säger, "Vårt arbete har inspirerat oss att ompröva andra kristaller som tydligen är ineffektiva för vattenspridning. Det ger en lovande strategi med hjälp av lösningsplasma för att" aktivera "dem." Användningen av lösning-plasmaurladdning har många fördelar jämfört med att använda konventionell gasformig plasma som gör den mycket mer attraktiv ur både teknisk och ekonomisk synvinkel. Prof Xintong Zhang från Northeast Normal University, Kina, anmärkningar, "Till skillnad från gasformig plasma, som måste genereras i slutna kammare, lösningsplasma kan genereras i en öppen reaktor vid rumstemperatur och i en normal luftatmosfär. Dessutom, genom att arbeta med kristallpulver i en lösning, det blir bekvämare att ändra processens parametrar, och det är också lättare att skala upp."

Denna studie tar oss förhoppningsvis ett steg närmare ett effektivt sätt att producera väte så att vi äntligen kan klara oss utan fossila bränslen och andra energikällor som är skadliga för vår planet. Ytterligare kommentarer om löftet om denna studie, Prof Terashima säger, "Om effektiv väteenergi kan produceras med solljus och vatten, två av de mest rikliga resurserna på jorden, ett drömfritt samhälle kunde förverkligas. "