Fotokatalyzátor činí 10krát účinnější výrobu vodíku

A young scientist's quest for clean water | Deepika Kurup (Smět 2019).

Anonim

Vodík je alternativním zdrojem energie, který lze vyrábět z obnovitelných zdrojů slunečního světla a vody. Skupina japonských vědců vyvinula fotokatalyzátor, který zvyšuje desetinásobnou výrobu vodíku.

Objev se uskutečnil společným výzkumným týmem pod vedením docentky TACHIKAWA Takashi (Molecular Photoscience Research Center, Kobe University) a prof. MAJIMA Tetsuro (Ústav vědeckého a průmyslového výzkumu, Univerzita v Osake). Jejich nálezy byly zveřejněny 6. dubna v on-line verzi Angewandte Chemie International Edition.

Když se na fotokatalyzátory aplikuje světlo, na povrchu katalyzátoru se vytvářejí elektrony a otvory a vodík se získává, když tyto elektrony redukují vodíkové ionty ve vodě. V tradičních fotokatalyzátorech však otvory, které se vyrábějí současně s elektrony, většinou rekombinují na povrchu katalyzátoru a zmizí, takže je obtížné zvýšit účinnost konverze.

Výzkumná skupina profesora Tachikawa vytvořila fotokatalyzátor z mezokrystalu, který záměrně vytváří nedostatek jednotnosti velikosti a uspořádání krystalů. Tento nový fotokatalyzátor dokáže prostorově oddělit elektrony a elektronové otvory, aby se zabránilo jejich rekombinacím. Výsledkem je mnohem efektivnější míra konverze pro výrobu vodíku než běžných fotokatalyzátorů nanočástic (přibližně 7 procent).

Tým vyvinul novou metodu nazvanou "topotaktický epitaxiální růst", která využívá mezokrystalické prostory v nanometrech. Na základě této metody syntézy byly schopny syntetizovat titanát stroncia (SrTiO3) ze sloučeniny s jinou strukturou, oxid titaničitý (TiO2), za použití jednoduché jednostupňové hydrotermální reakce. Prodloužením doby reakce by také mohly růst větší částice v blízkosti povrchu při zachování krystalické struktury.

Když připevnili kokatalyzátor na syntetizovaný mezokrystal a použili ultrafialové světlo ve vodě, reakce se objevila s přibližně 7% účinností konverze světla. Za stejných podmínek nanočástice SrTiO3, které nebyly přeměněny na mezokrystaly, dosáhly účinnosti konverze menší než 1 procenta, což dokazuje, že účinnost reakce se v mezokrystalové struktuře zvýšila desetkrát. Když byla každá částicka zkoumána pod fluorescenčním mikroskopem, tým zjistil, že elektrony vznikající během reakce se shromáždily kolem větších nanokrystalů.

Při vystavení ultrafialovému světlu se elektrony v tomto nově vyvinutém fotokatalyzátoru hladce pohybují mezi nanočásticemi uvnitř mezokrystalu, shromažďují se kolem větších nanokrystalů vytvářených na povrchu krystalu a účinně redukují vodíkové ionty, aby vytvářely vodík.

Objev tohoto mocného fotokatalyzátoru začal myšlenkou výzkumných pracovníků "úmyslně rozbít uspořádanou strukturu mezokrystalů", což by mohlo být použito pro jiné materiály. Titanát stroncia používaný tentokrát je kubický krystal, což znamená, že neexistuje žádná změna molekulární adsorpce nebo reakční síly pro každou krystalovou rovinu. Regulací velikosti a prostorového uspořádání nanokrystalů, které tvoří stavební bloky pro tuto strukturu, může být možné výrazně zvýšit účinnost konverze světelné energie stávajícího systému.

S využitím těchto poznatků plánuje výzkumná skupina použít mezokrystalovou technologii k realizaci super efektivní výroby vodíku ze sluneční energie. Kovové oxidy perovskitů, včetně titanátu strontnatého, cílem této studie, jsou základními materiály elektronických prvků, takže jejich výsledky mohou být aplikovány na širokou škálu polí.

menu
menu