Team ontwikkelt lichtaangedreven katalysator om waterstof te maken

Een team van het UPC en het Catalaanse Instituut voor Nanowetenschappen en Nanotechnologie (ICN2) heeft een efficiënte en stabiele fotokatalysator ontworpen die waterstof rechtstreeks met behulp van zonlicht kan produceren. De resultaten zijn gepubliceerd in het journaal Natuurcommunicatie.

Waterstof is essentieel voor die energietransitie, zolang het maar uit hernieuwbare bronnen (groene waterstof) wordt geproduceerd. Het is al lang bekend dat elektronen in sommige halfgeleiders kunnen deelnemen aan chemische reacties wanneer ze worden verlicht door zonlicht.

Dit is het geval met titaniumdioxide, een goedkoop en onschadelijk materiaal dat veel wordt gebruikt als wit pigment in verven, plastics, papier, inkten en cosmetica. De aangeslagen elektronen in titaniumdioxide zijn in staat waterstof te genereren uit de protonen in water en organische verbindingen. De waterstofproductie is echter erg laag omdat de elektronen de neiging hebben te ontspannen in plaats van te reageren, waardoor de efficiëntie van het proces vanuit praktisch oogpunt te laag is.

Deze beperking kan worden overwonnen door titaniumdioxide in contact te brengen met metalen nanodeeltjes, die fungeren als elektronenfilters, waardoor de levensduur van de elektronen in een aangeslagen toestand wordt verlengd, zodat ze kunnen reageren en waterstof kunnen produceren. Hierdoor kunnen we honderden keren hogere opbrengsten behalen.

Deze studie is een stap voorwaarts voor een duurzame waterstofproductie. Het werd geleid door Ramón y Cajal-onderzoeker Lluís Soler en professor Jordi Llorca van de ENCORE-NEMEN-onderzoeksgroep van de afdeling Chemische Technologie en het Instituut voor Energietechnologieën van de Universitat Politècnica de Catalunya-BarcelonaTech (UPC). Ze maken ook deel uit van het Specifiek Centrum voor Waterstofonderzoek (CER-H2).

Met behulp van een mechanochemisch proces hebben de onderzoekers metaalclusters afgezet op titaniumdioxide-nanodeeltjes met verschillende morfologieën en ontdekten ze dat de verschillende blootgestelde kristallografische zijden van titaniumdioxide ook een sleutelrol spelen bij de productie van waterstof. Zowel de stabiliteit van fotokatalysatoren als de sterkte van de elektronenoverdracht tussen de halfgeleider en de metalen nanodeeltjes zijn sterk gerelateerd aan de blootgestelde zijden van de halfgeleider, die verantwoordelijk zijn voor de mobiliteit en aggregatie van atomen.

De resultaten zijn duidelijk. Wanneer platinaclusters worden afgezet op octaëdrische titaniumdioxidenanodeeltjes, wordt een fotokatalysator verkregen die grotere hoeveelheden waterstof produceert en, nog belangrijker, veel stabieler is dan welke andere combinatie dan ook. Het onderzoek is een opmerkelijk voorbeeld van hoe nanotechnologie kan worden toegepast bij het ontwerpen van nieuwe apparaten op het gebied van energie.

Om de resultaten te begrijpen heeft Ramón y Cajal-onderzoeker Claudio Cazorla van het Departement Natuurkunde van het UPC kwantummechanische berekeningen uitgevoerd om de elektronische structuur van de fotokatalysatoren te bestuderen, die werden vergeleken met de resultaten van röntgenfoto-elektronenspectroscopie verkregen bij het Onderzoekscentrum van het UPC. in multiscale wetenschap en techniek. Het centrum bevindt zich op de Diagonal-Besòs Campus, net als de Barcelona East School of Engineering (EEBE), waar de onderzoekers ook lesgeven.

De uitkomsten van dit onderzoek zullen het ontwerp van nieuwe katalysatoren voor de efficiënte en duurzame productie van groene waterstof mogelijk maken. Bij de UPC’s van het Specifiek Centrum voor Waterstofonderzoek wordt al gewerkt aan het in de praktijk brengen van deze resultaten.