Den fotokatalytiska vattenklyvningsprocessen lockar forskare som en lösning på både energi- och miljöproblem. I denna process delas vatten till syre och väte med hjälp av ljusenergi och en katalysator. När problemet med den globala uppvärmningen har ökat har forskare sett till väte, ett rent brinnande bränsle, som en lösning för förnybar energi. Eftersom vatten är en så billig resurs, har enorma ansträngningar ägnats åt detta lovande forskningsfält under de senaste decennierna. Men forskare har bara kunnat upptäcka ett fåtal fotokatalysatorer med både hög effektivitet och utmärkt stabilitet. Så den fotokatalytiska vattenklyvningstekniken har fortfarande en lång väg kvar tills praktisk tillämpning är möjlig.

Ett forskarlag från Xi'an Jiaotong University i Kina har uppnått lovande resultat med en oorganisk förening som kallas vismutvanadat (BiVO₄ kristaller som fotokatalysator för att uppnå effektiv fotokatalytisk vattenuppdelning. Deras arbete visar det nära sambandet mellan ytegenskaperna hos BiVO₄ och den uppnådda fotokatalytiska aktiviteten. Teamets resultat publiceras i tidskriften Nano Research .

För att vattenklyvningsprocessen ska vara effektiv är separation av elektron-hålsparet och deras förbrukning genom vattenoxidation eller vattenreduktionsreaktioner som äger rum på ytan väsentlig. Elektronhålet är en laddningsbärare som ansvarar för att skapa elektrisk ström i halvledande material. Laddningsbärare avser en partikel som rör sig fritt i ett material och bär en elektrisk laddning.

Under de senaste åren har forskare uppnått utmärkta prestanda genom att exponera specifika aspekter som berikade reaktionsställen på fotokatalysatorerna. Forskare har upptäckt att titandioxid och strontiumtitanat, med sina exponerade aspekter, erbjuder utmärkta prestanda. Denna kunskap gav forskarna ledtrådar om att en effektiv fotokatalytisk process kan uppnås genom att ställa in ytan på en fotokatalysator med olika funktioner.

I ytterligare forskning rapporterade forskare att BiVO₄ nanosheets med exponerade facetter uppvisade utmärkta prestanda för vattenoxidation. Forskning antydde att om BiVO₄ aspekter förstorades, överlägsen fotokatalytisk aktivitet för vattenoxidation kunde uppnås.

Xi'an Jiaotong Universitys forskargrupp fokuserade sin uppmärksamhet på BiVO₄ som modellfotokatalysator. De studerade den avgörande rollen av ytladdningsbärares förbrukning på vattenspjälkningsreaktionerna. Teamet tillverkade BiVO₄ enkristaller med ett skräddarsytt förhållande av fasetter för de reduktiva platserna och de oxidativa platserna. De använde en enkel kontrollerad hydrotermisk metod för att syntetisera BiVO₄ kristall. Genom denna process visade de att effektiv fotokatalytisk vattenoxidation kunde uppnås genom en balanserad ytladdningsbärares förbrukning som är baserad på ett medelstort förhållande mellan de reduktiva platserna och de oxidativa platserna.

Använder BiVO₄ enbart som en typisk fotokatalysator för vattenoxidation uppnår inte total vattenspjälkning. Så forskarna fortsatte sin studie och konstruerade ett Z-schemasystem, där två olika fotokatalysatorer kombineras. Använda BiVO₄ med lämpliga samkatalysatorer uppnådde teamet effektiv och stabil fotokatalytisk total vattenklyvning.

"Överlägsen fotokatalytisk vattenoxidation erhålls från BiVO₄ dekaedrar med ett medelhögt förhållande mellan reduktiva och oxidativa platser, vilket tillskrivs den uppnådda balanserade förbrukningen av laddningsbärare, säger Shaohua Shen, professor vid International Research Center for Renewable Energy vid Xi'an Jiaotong University. Dessutom uppnås effektiv och stabil fotokatalytisk övergripande vattenuppdelning genom att använda den syntetiserade BiVO₄ dekaedrar med lämplig modifiering av samkatalysator", sa Shen.

"När vi ser framåt ger detta arbete både vägledning om tillverkning av nano/mikromaterial med kontrollerbar ytmorfologi och insiktsfulla undersökningar av motsvarande fotokatalytiska redoxreaktion", säger Shen. + Utforska vidare

Brett-synligt-ljuskänslig fotokatalysator ökar solvattnets delning