För närvarande, majoriteten av den energi som konsumeras av världens befolkning kommer från olja och andra icke-förnybara resurser som riskerar att ta slut inom en snar framtid. Följaktligen har utvecklingen av artificiella fotosyntesmetoder som använder fotokatalysatorer för att producera kemisk energi (vätebränsle) från solljus och vatten fått stor uppmärksamhet och olika forskningsprojekt bedrivs inom detta område.

Under artificiell fotosyntes, syre (O ₂ ) produceras av fotokatalysatorn via vattenspjälkningsreaktionen. Arbetar med forskare från Kanazawa University, Shinshu University och University of Tokyo, Professor Onishi Hiroshi et al. vid Kobe Universitys Graduate School of Science utvecklat en mätningsutvärderingsmetod som kan detektera O ₂ 1000 gånger snabbare än konventionella metoder. Förhoppningen är att metoden som utvecklats genom denna forskning kan användas för att förbättra vår förståelse av reaktionsmekanismerna bakom artificiell fotosyntes och bidra till att utveckla fotokatalysatorer som skulle kunna implementeras i den verkliga världen.

Vikten av att offentliggöra dessa forskningsresultat så snart som möjligt har erkänts; uppsatsen publicerad i American Chemistry Societys tidskrift ACS-katalys gavs en avancerad onlineversion den 29 oktober, 2020.

Forskningsbakgrund

Artificiell fotosyntes, som kan användas för att producera kemisk energi (vätebränsle) från solljus och vatten har fått stor uppmärksamhet för sin potential att tillhandahålla en energikälla som inte släpper ut CO ₂ .Fotokatalysatorer är nyckelkomponenten i artificiell fotosyntes. Det första fotokatalysatormaterialet upptäcktes och utvecklades av japanska forskare på 1970-talet, och forskare runt om i världen har kontinuerligt strävat efter att förbättra sin effektivitet under de senaste 50 åren.

Den aktuella forskningsstudien använde ett strontiumtitanat (SrTiO ₃ ) fotokatalysator, som ursprungligen utvecklades av Special Contract Professor Domen Kazunari et al. från Shinshu University (en bidragande forskare till denna studie). Som ett resultat av olika förbättringar som gjorts av Shinshus docent HISATOMI Takashi et al. (också en bidragande forskare), detta fotokatalytiska material uppnådde det högsta reaktionsutbytet (dvs effektiviteten av väteomvandling från vatten via belysning med ultraviolett ljus) i världen. Den sista återstående frågan är att förbättra effektiviteten av vätgasgenerering från vatten och solljus, istället för artificiellt ultraviolett ljus. Att övervinna detta problem skulle innebära födelsen av CO ₂ - gratis vätebränsleproducerande teknik som kan användas av samhället.

Dock, en faktor som hindrar ansträngningarna att förbättra omvandlingseffektiviteten är den låga mängden syre som produceras från vattnet när väte också produceras. För att generera väte (H2) från vatten (H2O) via artificiell fotosyntes, följande kemiska reaktion måste äga rum:2H ₂ O → 2H ₂ + O ₂ . Även om målet är att producera väte (som kan användas som bränsle av samhället) och inte syre, kemins principer kräver att syre samtidigt produceras ur vattnet för att väte ska kunna produceras.

Vidare, processen att generera syre är mer komplicerad än processen att generera väte, vilket följaktligen gör det svårt att förbättra reaktionens effektivitet (syreatomerna tagna från två H ₂ O-partiklar måste fästa vid varandra). Detta är en flaskhals som begränsar den effektiva omvandlingen av väte från vatten med hjälp av solljus.

En lösning skulle vara att förbättra effektiviteten av syreomvandlingen från vatten, detta är dock ingen enkel sak. Det är inte väl förstått hur syre alstras från vatten (dvs mekanismen bakom reaktionen), därför att försöka förbättra denna reaktion är att arbeta i mörker. För att belysa situationen, denna forskning syftade till att utveckla en höghastighetsdetektionsmetod för att observera syre som genereras av artificiell fotosyntes för att avslöja mekanismen bakom reaktionen mellan vatten och syre.

Forskningsmetodik

Denna forskningsstudie använde en metod för kemisk undervattensanalys med mikroelektrod utvecklad av Kanazawa Universitys professor TAKAHASHI Yasufumi et al. (medverkande forskare) som underliggande teknik. Syret som genererades från den artificiella fotosyntesfotokatalysatorn upptäcktes när det smälte tillbaka i vattnet. Som visas i figur 1, Strontiumtitanitfotokatalysatorpanelen nedsänktes i vatten. Mikroelektroden, som bestod av en 20 mikrometer platinatråd (cirka ¼ av ett människohår) med sidorna belagda i glas, sänktes ned i vattnet 100 mikrometer bort från ytan av fotokatalysatorpanelen.

När fotokatalysatorpanelen belystes av ultraviolett ljus (med en våglängd på 280 nm) från en ljusemitterande diod, syre (O ₂ ) och väte (H ₂ ) dissocierades från vattnet där det kom i kontakt med panelen. Dessa syre- och vätemolekyler släpptes sedan ut i vattnet. Det frigjorda syret spreds genom vattnet och nådde mikroelektroden. Syret som nådde mikroelektroden fick fyra elektroner (e-) från elektroden vilket resulterade i följande transformation:O ₂ + 2H ₂ O + 4e ⁻ → 4OH ⁻ .

Antalet elektroner som tas emot från elektroden av syret kan bestämmas genom att mäta den elektriska ström som passerar genom elektroden. Att mäta den elektriska strömmen som passerade genom elektroden var 0,1 sekund gjorde det möjligt för forskarna att beräkna mängden syre som nådde elektroden var 0,1 sekund. Gaskromatografisk detektion, analysapparaten som hittills använts för syredetektering, kan bara mäta mängden syre var tredje minut. Denna studie har lyckats utveckla en detektionsmetod som är 1000 gånger snabbare.

Det är inte svårt att beräkna den tid som krävs för syret att färdas den 100 mikrometer sträckan genom vattnet från fotokatalysatorpanelen till elektroden. Detta kan uppnås genom att utföra numeriska simuleringar på en stationär dator, baserad på Ficks diffusionslagar. Att jämföra mätresultaten som erhållits från mikroelektroden med de från simuleringen visade att det fanns en fördröjning på en till två sekunder mellan att fotokatalysatorpanelen belyses av UV-ljus och att syret släpptes ut i vattnet. Denna fördröjning är ett nytt fenomen som inte kunde observeras via gaskromatografisk detektion.

Det antas att denna fördröjning är ett nödvändigt förberedande steg för att den belysta fotokatalysatorn ska börja vattenuppdelningen. Framtida forskning kommer att försöka verifiera denna hypotes, förutom att undersöka vad fotokatalysatorn gör under förberedelseskedet. Ändå, det förväntas att den syrgasdetekteringsmetod som utvecklats i denna studie, vilket är 1000 gånger snabbare än tidigare upptäcktsmetoder, kommer att leda till nya utvecklingar inom artificiell fotosyntes.

Professor Onishi Hiroshi, Graduate School of Science, Kobe universitet, säger, "Jag är en fysikalisk kemispecialist, och idén att upptäcka syre som genereras via artificiell fotosyntes med hjälp av en mikroelektrod kom till mig 2015. Vid Kobe University, vi satte upp mätapparaten utvecklad av professor Takahashi et al., som är experter på kemisk analys med hjälp av mikroelektroder, och började applicera det på fotokatalysatorer.

"Genom att förbättra apparaten och samla kunskap om dess funktion, vi verifierade att denna metod kan mäta syre som genereras från fotokatalysatorpanelen som tillhandahålls av professor Domen och docent Hisatomi et al., som är auktoriteter på fotokatalysatorforskning.

"Dessutom, tre doktorander vid Kobe Universitys Graduate School of Science stod i spetsen för denna forskning under den femårsperiod som sträckte sig från utvecklingen av datorprogrammet för den numeriska simuleringen fram till upptäckten av "syrefrisättningsfördröjningen".

"De tre lagen kom med de distinkta egenskaperna hos sina respektive områden inom fysikalisk kemi, analytisk kemi och katalysatorkemi till utvecklingen av denna forskning. Genom detta samarbete vi lyckades bidra med ett nytt perspektiv till vetenskapen om artificiell fotosyntes."