Ett team från UPC och Catalan Institute of Nanoscience and Nanotechnology (ICN2) har designat en effektiv och stabil fotokatalysator som kan producera väte direkt med solljus. Resultaten publiceras i tidskriften Nature Communications .
Vätgas är avgörande för den energiomställningen, så länge det produceras från förnybara källor (grönt väte). Det har länge varit känt att elektroner i vissa halvledare kan delta i kemiska reaktioner när de belyses av solljus.
Så är fallet med titandioxid, ett billigt och ofarligt material som används flitigt som vitt pigment i färger, plaster, papper, bläck och kosmetika. De exciterade elektronerna i titandioxid kan generera väte från protonerna i vatten och organiska föreningar. Väteproduktionen är dock mycket låg eftersom elektronerna tenderar att slappna av snarare än att reagera, så effektiviteten i processen är för låg ur praktisk synvinkel.
Denna begränsning kan övervinnas genom att bringa titandioxid i kontakt med metallnanopartiklar, som fungerar som elektronfilter, vilket förlänger livslängden för elektronerna i exciterat tillstånd så att de kan reagera och producera väte. Detta gör att vi kan uppnå hundratals gånger högre avkastning.
Denna studie är ett steg framåt för hållbar väteproduktion. Den leddes av Ramón y Cajal-forskaren Lluís Soler och professor Jordi Llorca från forskningsgruppen ENCORE-NEMEN vid Institutionen för kemiteknik och Institutet för energiteknik vid Universitat Politècnica de Catalunya—BarcelonaTech (UPC). De är också en del av det specifika centret för väteforskning (CER-H2).
Med hjälp av en mekanokemisk process deponerade forskarna metallkluster på titandioxidnanopartiklar av olika morfologier och fann att de olika exponerade kristallografiska ytorna av titandioxid också spelar en nyckelroll i väteproduktionen. Både stabiliteten hos fotokatalysatorer och styrkan hos elektronöverföring mellan halvledaren och metallnanopartiklarna är starkt relaterade till halvledarens exponerade ytor, som är ansvariga för atomrörlighet och aggregation.
Resultaten är tydliga. När platinakluster avsätts på oktaedriska titandioxidnanopartiklar erhålls en fotokatalysator som producerar större mängder väte och, ännu viktigare, är mycket mer stabil än någon annan kombination. Studien är ett anmärkningsvärt exempel på hur nanoteknik kan användas för att designa nya enheter inom energiområdet.
För att förstå resultaten har Ramón y Cajal-forskaren Claudio Cazorla från UPC:s fysikavdelning genomfört kvantmekaniska beräkningar för att studera fotokatalysatorernas elektroniska struktur, som jämfördes med resultaten från röntgenfotoelektronspektroskopi som erhållits vid UPC:s forskningscenter i Multiscale Science and Engineering. Centret ligger på Diagonal-Besòs Campus, liksom Barcelona East School of Engineering (EEBE), där forskarna också undervisar.
Resultaten av denna forskning kommer att möjliggöra design av nya katalysatorer för effektiv och hållbar produktion av grönt väte. Arbete pågår redan vid UPC:s vid det specifika centret för väteforskning för att omsätta dessa resultat i praktiken.
Mer information: Yufen Chen et al, Fasettkonstruerad TiO2 driver fotokatalytisk aktivitet och stabilitet hos stödda ädelmetallkluster under H2-evolution, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-41976-2
Tillhandahålls av Universitat Politècnica de Catalunya · BarcelonaTech (UPC)
