En ny fotokatalysator bestående av metalloxidskivor i nanoskala och en ruteniumfärgämnesmolekyl kan generera H 2 från vatten genom att använda synligt ljus. Kredit:Tokyo Tech
Forskare vid Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) har utvecklat ett hybridmaterial konstruerat av en metalloxidnanoskiva och en ljusabsorberande molekyl för att klyva vattenmolekyler för att erhålla diväte (H) 2 ) i solljus. Sedan H 2 kan användas som kolfritt bränsle, denna studie ger relevanta insikter mot generering av ren energi.
I linje med utarmningen av fossila bränslen och miljöproblemen på grund av deras förbränning, att utveckla teknik för generering av ren energi är ett ämne av globalt intresse. Bland de olika metoder som föreslås för att generera ren energi, fotokatalytisk vattenklyvning är mycket lovande. Denna metod använder solenergi för att dela vattenmolekyler och erhålla diväte (H 2 ). Den H 2 kan sedan användas som ett kolfritt bränsle eller som råvara vid tillverkning av många viktiga kemikalier.
Nu, ett forskarlag under ledning av Kazuhiko Maeda vid Tokyo Tech har utvecklat en ny fotokatalysator bestående av metalloxidplåt i nanoskala och en ruteniumfärgämnesmolekyl, som fungerar enligt en mekanism som liknar färgsensibiliserade solceller. Medan metalloxider som är fotokatalytiskt aktiva för övergripande vattendelning i H 2 och O 2 har breda bandluckor, färgämnessensibiliserade oxider kan använda synligt ljus, huvudkomponenten i solljus (Figur 1). Den nya fotokatalysatorn kan generera H 2 från vatten med en omsättningsfrekvens på 1960 per timme och ett externt kvantutbyte på 2,4 %.
Dessa resultat är de högsta registrerade för färgämnessensibiliserade fotokatalysatorer under synligt ljus, tar Maedas team ett steg närmare målet med artificiell fotosyntes – att replikera den naturliga processen att använda vatten och solljus för att på ett hållbart sätt producera energi.
Det nya materialet, redovisas i Journal of the American Chemical Society , är konstruerad av kalciumniobat nanoark med hög yta (HCa 2 Obs 3 O 10 ) interkalerade med platina (Pt) nanokluster som H 2 -webbplatser som utvecklas. Dock, de platinamodifierade nanoarken fungerar inte ensamma, eftersom de inte absorberar solljus effektivt. Så en synlig ljusabsorberande ruteniumfärgämnesmolekyl kombineras med nanoarket, möjliggör soldriven H 2 evolution (Figur 2).
Illustration av synligt ljus-drivet H 2 evolution på rutenium-färgämne/HCa 2 Obs 3 O 10 nanoark. Kredit:American Chemical Society, Tokyo Tech, antogs med tillstånd
Det som gör materialet effektivt är användningen av nanoark, som kan erhållas genom kemisk exfoliering av lamellär HCA 2 Obs 3 O 10 . Den höga ytan och strukturella flexibiliteten hos nanoarken maximerar färgladdningar och densitet av H 2 evolutionssajter, vilket i sin tur förbättrar H 2 evolutionens effektivitet. Också, för att optimera prestanda, Maedas team modifierade nanoarken med amorf aluminiumoxid, som spelar en viktig roll för att förbättra elektronöverföringseffektiviteten. "Och utan motstycke, aluminiumoxidmodifieringen för nanoark främjar färgämnesregenerering under reaktionen utan att hindra elektroninjektion från det exciterade tillståndsfärgämnet till nanoarket - det primära steget av färgsensibiliserat H 2 Evolution, " säger Maeda.
"Tills nyligen, det ansågs mycket svårt att uppnå H 2 evolution via övergripande vattendelning under synligt ljus med en färgsensibiliserad fotokatalysator med hög effektivitet, " förklarar Maeda. "Vårt nya resultat visar tydligt att detta verkligen är möjligt, med en noggrant designad molekyl-nanomaterial-hybrid."
Mer forskning krävs, eftersom det kommer att bli nödvändigt att ytterligare optimera designen av hybridfotokatalysatorn för att förbättra effektiviteten och långtidshållbarheten. Fotokatalytisk vattenklyvning kan vara ett avgörande sätt att möta samhällets energibehov utan att ytterligare skada miljön, och studier som denna är viktiga språngbrädor för att nå vårt mål om en grönare framtid.
