Nano-engineered fotokatalysatorsets mijlpaal voor de productie van zonbriefbrandstof

In een sprong voorwaarts voor zonne -brandstoftechnologie hebben onderzoekers uit Japan nanosized, poreuze oxyhalide fotokatalysatoren ontwikkeld (PB₂Ti₂O_5.4F_1.2) die recordprestaties bereikten bij het produceren van waterstof uit water en het omzetten van koolstofdioxide naar mierenzuur met behulp van zonlicht, waardoor eerdere oxyhalidekatalysatoren met ~ 60 keer beter presteerden. Deze doorbraak biedt een schaalbare, milieuvriendelijke benadering van de productie van zonnewonden en benadrukt het belang van het beheersen van deeltjesgrootte en -structuur om de efficiëntie te verbeteren.

In een verschuiving naar schone energie, werken wetenschappers aan het benutten van zonlicht, niet alleen voor elektriciteit, maar ook om nuttige brandstoffen te produceren. Deze transformatie wordt mogelijk gemaakt door fotokatalysatoren – materialen die zichtbaar licht kunnen absorberen en chemische reacties kunnen veroorzaken. Wanneer ze worden blootgesteld aan licht, genereren deze katalysatoren ladingsdragers (elektronen en gaten) die reacties aangeven, zoals het splitsen van water in waterstof (h₂) en het omzetten van koolstofdioxide (CO₂) in mierenzuur, een vloeibare brandstof en waterstofdrager.

Een van de meest veelbelovende fotokatalysatoren voor deze toepassingen zijn loodgebaseerde oxyhalides PB₂Ti₂O_5.4F_1.2 (PTOF). Deze materialen hebben een smalle bandgap, die een efficiënte absorptie van zichtbaar licht mogelijk maakt, en kan weerstand bieden aan harde oxidatieve omstandigheden, die belangrijke eigenschappen zijn voor langdurige katalytische prestaties.

In een doorbraak hebben onderzoekers van Institute of Science Tokyo (Science Tokyo), Japan, kleinere, meer poreuze nanosised PTOF -deeltjes gesynthetiseerd, waardoor fotokatalytische activiteit tot ~ 60 keer hoger is dan eerder gemeld. De studie – geleid door professor Kazuhiko Maeda van het Department of Chemistry, School of Science, Science Tokyo en professor Osamu Ishitani van Hiroshima University, Japan – isgepubliceerd in ACS -katalyse.

“De synthesemethode die in deze studie is vastgesteld, maakt wereld toonaangevende fotokatalytische prestaties voor h mogelijk₂ Productie en de conversie van CO₂ in mierenzuur onder oxyhalide fotokatalysatoren, met behulp van een milieuvriendelijk proces, “zegt Maeda.

Het verminderen van de deeltjesgrootte verbetert de katalytische activiteit door de afstand te verkorten dat gefotogeneerde ladingsdragers moeten reizen om het oppervlak te bereiken, waardoor de kans op hun recombinatie wordt verlaagd. Het kan echter ook structurele defecten introduceren, wat de prestaties negatief kan beïnvloeden. In deze studie tonen de onderzoekers aan dat hun methode deze problemen kan voorkomen door de vorm en grootte van de deeltjes zorgvuldig te beheersen.

Om de deeltjes te synthetiseren, gebruikte het team een microgolfondersteunde hydrothermische methode die bij relatief lage temperaturen werkt. Ze bereidden oplossingen die loodnitraat bevatten als loodbron en kaliumfluoride als fluoridebron. Voor de titaniumbron testten ze drie verschillende in water oplosbare titaniumcomplexen op basis van citroenzuur, wijnsteenzuur en melkzuur. Ze bereidden ook een conventioneel PTOF -monster met behulp van titaniumchloride (TICL₄) voor vergelijking. De mengsels werden verwarmd in een magnetron bij 473 K en de resulterende neerslag werden verzameld en gedroogd.

De PTOF-deeltjes gesynthetiseerd met behulp van geschikte in water oplosbare titaniumcomplexen waren kleiner (minder dan 100 nm) en hadden zeer poreuze structuren met oppervlakken van ~ 40 m²G^–1. Ter vergelijking, deeltjes verkregen met behulp van TICL₄ waren groter (0,5 – 1 μm) en vertoonde een oppervlakte van slechts 2,5 m²G^–1.

Deze nanostructurering verbeterde de fotokatalytische activiteit aanzienlijk. Voor waterstofgeneratie vertoonde citroenzuur-afgeleide PTOF een zestigvoudige toename van de reactiesnelheid vergeleken met PTOF bereid met TICL₄het bereiken van een efficiënte kwantumopbrengst van ongeveer 15% bij 420 nm. Voor CO₂ Reductie, van wijnsteenzuur afgeleide PTOF presteerde het beste, produceerde mierenzuur met een veelbelovende kwantumopbrengst van ongeveer 10% in aanwezigheid van een moleculaire rutheniumfotokatalysator-beide waarden die recordhoogtes vertegenwoordigen voor fotokatalysators van oxyhalide.

Interessant is dat de onderzoekers opnachten dat de kleinere deeltjes een lagere ladingsmobiliteit hadden dan hun grotere tegenhangers. Omdat de dragers in deze nanosized structuren echter een veel kortere afstand hadden om te reizen om het oppervlak te bereiken, hadden ze minder kans om te recombineren en vaker deel te nemen aan nuttige chemische reacties.

Door een lage temperatuur, milieuvriendelijke methode te gebruiken en de grootte en structuur van de deeltjes zorgvuldig te regelen, hebben de onderzoekers een praktische benadering ontwikkeld voor schaalbare en efficiënte productie van zonnestronden.

“Deze studie onderstreept het belang van het beheersen van de morfologie van oxyhalides om hun volledige potentieel als fotokatalysatoren voor kunstmatige fotosynthese te ontgrendelen. Deze bevindingen zullen naar verwachting aanzienlijk bijdragen aan de ontwikkeling van innovatieve materialen die helpen bij het aanpakken van wereldwijde energie -uitdagingen,” concludeert Maeda.