I ett första steg har en färgsensibiliserad fotokatalysator som underlättar den mest effektiva solvattenklyvningsaktiviteten som registrerats hittills (för liknande katalysatorer) optimerats av forskare från Tokyo Tech. Deras ytmodifierade, färgsensibiliserade nanoarkkatalysator visar en enorm potential, eftersom den kan undertrycka oönskad tillbakaelektronöverföring och förbättra vattenklyvningsaktiviteten upp till hundra gånger.

Ett av de enklaste sätten att dela vattenmolekyler till väte är att använda fotokatalysatorer. Dessa material, som är halvledare som kan absorbera ljus och utföra vattenuppdelningsreaktioner samtidigt, ger en enkel installation för massproduktion av väte. Halvledare kan generera ett elektron-hål-par för vattenuppdelningsreaktionen; Men eftersom laddningsbärarna tenderar att rekombinera, har ett "Z-schema" fotokatalytiskt system som involverar två halvledarmaterial och en elektronmediator utvecklats för att undertrycka detta.

I den här inställningen är elektronmediatorn, som vanligtvis är ett reversibelt elektronacceptor/donatorpar (som I₃ ^- /I ^- ), tar emot elektroner från en av fotokatalysatorerna och donerar dem till den andra. Detta separerar laddningsbärarna mellan halvledarna. Trots att laddningsrekombinationen inom halvledaren elimineras, är de elektronaccepterande arterna (I₃ ^- ) konkurrerar med vätefotokatalysatorn om elektroner, vilket resulterar i dålig energiomvandlingseffektivitet från sol-till-väte.

För att förbättra väteproduktionen har ett team av internationella forskare, inklusive specialutnämnd adjunkt Shunta Nishioka och professor Kazuhiko Maeda från Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) arbetat på sätt att förhindra oavsiktlig elektronöverföring. Om att experimentera med rutenium (Ru) färgämnessensibiliserade niobatfotokatalysatorer (Ru/Pt/HCa₂ OBS₃ O₁₀ ), märkte forskarna att väteproduktionen ökar markant vid låg I₃ ^- koncentrationer. Dessa fynd ledde dem till att utveckla ett effektivt vattenklyvningssystem som består av en syreutvecklingsfotokatalysator och ett modifierat Ru-färgämnessensibiliserat niobat nanoark som fungerar som en bättre väteutvecklingsfotokatalysator. "Vi har framgångsrikt förbättrat effektiviteten hos ett Z-schema övergripande vattenklyvningssystem genom att använda en ytmodifierad färgsensibiliserad nanosheetfotokatalysator", säger Prof. Maeda. Resultaten av deras studie har publicerats i tidskriften Science Advances .

För att behålla I₃ ^- koncentrationen i reaktionssystemet låg, en PtO_x /H-Cs-WO₃ fotokatalysator används som syreutvecklingskatalysator. Samtidigt, Al₂ O₃ och poly(styrensulfonat) (PSS) tillsätts för att undertrycka den bakre elektronöverföringen från halvledaren till det oxiderade Ru-komplexet och I₃ ^- jon, respektive. Denna design gör det möjligt för fler elektroner att delta i väteutvecklingsreaktionen, vilket resulterar i det mest effektiva Z-schemat vattendelningssystem hittills. "Ytmodifieringen av den färgsensibiliserade nanosheet-fotokatalysatorn förbättrade solenergins vattenklyvningsaktivitet med nästan 100 gånger, vilket gjorde den jämförbar med konventionella halvledarbaserade fotokatalysatorsystem", säger Prof. Maeda.

Med den bakre elektronöverföringen undertryckt kunde den utvecklade fotokatalysatorn också upprätthålla väteproduktion vid låga ljusnivåer, vilket ger den en fördel gentemot andra fotokatalysatorer som kräver höga ljusintensiteter. Dessutom, genom att minimera effekten av reaktionerna med bakre elektronöverföring, har forskarna inte bara satt ett nytt riktmärke för färgsensibiliserade fotokatalysatorer för vattendelning i Z-schema, utan också lagt ramverket för att förbättra andra färgsensibiliserade system som används för andra viktiga reaktioner som CO₂ minskning. + Utforska vidare

Dela vatten med vismutvanadat