Nieuw ontwikkelde hydrogel nanocomposiet voor de massaproductie van waterstof

Een onderzoeksteam onder leiding van prof. Hyeon Taeghwan van het Center for Nanoparticle Research binnen het Institute for Basic Science (IBS) in Seoul, Zuid-Korea, heeft een nieuw fotokatalytisch platform ontwikkeld voor de massaproductie van waterstof.

Gepubliceerd in Natuur Nanotechnologieleidde de studie van de groep naar het fotokatalytische platform tot de ontwikkeling van een drijvende fotokatalytische matrix, die een efficiënte waterstofevolutiereactie mogelijk maakt met duidelijke voordelen ten opzichte van conventionele waterstofproductieplatforms zoals film- of paneeltypes.

Het belang van alternatieve energie is de laatste tijd toegenomen als gevolg van wereldwijde uitdagingen zoals milieuvervuiling en klimaatverandering. Van de verschillende kandidaten voor alternatieve energiebronnen, is waterstofenergie geoogst door fotokatalyse van bijzonder belang voor de duurzame productie van groene energie.

Dienovereenkomstig is er veel onderzoek en ontwikkeling gedaan om de intrinsieke reactie-efficiëntie van fotokatalysatoren te verbeteren. Onderzoek naar de vormfactor van fotokatalytische systemen, die cruciaal is voor hun praktische toepassing en commercialisering, is echter nog niet actief onderzocht.

Gewoonlijk fixeren de huidige systemen katalysatorpoeder of nanodeeltjes op verschillende oppervlakken, zoals platformen van het plaattype, filmtype en vlakke panelen, die onder water zijn ondergedompeld. Ze worden ook geconfronteerd met praktische problemen, zoals het uitlogen van katalysatoren, slechte massaoverdracht en omgekeerde reacties. Ze hebben ook extra apparaten nodig om de gegenereerde waterstof uit water te scheiden en op te vangen, wat de complexiteit van het apparaat vergroot en de kosten verhoogt.

Het team van het Center for Nanoparticle Research binnen de IBS, geleid door prof. Hyeon, ontwierp een nieuw type fotokatalytisch platform dat op het water drijft voor efficiënte waterstofproductie. Dit nieuwe platform heeft een dubbellaagse structuur, die bestaat uit een bovenste fotokatalytische laag en een onderste ondersteunende laag.

Beide lagen zijn samengesteld uit een poreus structureel polymeer dat een hoge oppervlaktespanning aan het platform geeft. Bovendien is het platform vervaardigd in de vorm van cryo-aerogel, een vaste substantie gevuld met gas aan de binnenkant, met een lage dichtheid. Als gevolg hiervan kan deze elastomeer-hydrogel ingebed met fotokatalysatoren op water drijven.

Dit platform vertoont duidelijke voordelen in de fotokatalytische waterstofevolutiereactie: ten eerste wordt lichtverzwakking door water voorkomen, wat resulteert in een efficiënte omzetting van zonne-energie. Ten tweede kan het product, waterstofgas, gemakkelijk in de lucht worden verspreid, waardoor omgekeerde oxidatiereacties worden vermeden en een hoog reactierendement behouden blijft. Ten derde kan het water gemakkelijk worden toegevoerd aan de katalysatoren die zich in de elastomeer-hydrogelmatrix bevinden vanwege de porositeit ervan. Ten slotte zijn de katalysatoren stabiel geïmmobiliseerd in de matrix voor langdurig gebruik zonder problemen met uitlogen.

De onderzoekers bewezen experimenteel de superieure prestaties van de waterstofevolutie van het drijvende platform, vergeleken met dat van het conventionele ondergedompelde platform. Bovendien werd de schaalbaarheid van het platform, essentieel voor potentiële industrialisatie, ook aangetoond in natuurlijk zonlicht. Er werd bevestigd dat ongeveer 80 ml waterstof kan worden geproduceerd door het drijvende fotokatalytische platform met behulp van koperen enkelatoom- en titania-katalysatoren met een oppervlakte van 1 m² .

Zelfs na 2 weken gebruik in zeewater dat verschillende micro-organismen en drijvend materiaal bevatte, was de waterstofontwikkelingsprestatie van het platform niet aangetast.

Prof. Kim stelt: “Het voorgestelde platform kan zelfs waterstof produceren uit oplossingen die huishoudelijk afval oplossen, zoals polyethyleentereftalaatflessen. Het platform kan dus een oplossing zijn voor het recyclen van afval, wat bijdraagt ​​aan een milieuvriendelijke samenleving.”

Met name presenteert deze studie een algemeen platform voor efficiënte fotokatalyse dat niet alleen beperkt is tot waterstofproductie. Het is mogelijk om de katalytische component te vervangen voor verschillende gewenste toepassingen, zonder de eigenschappen van het drijvende aerogelmateriaal van het algehele platform te veranderen. Dit garandeert de brede toepasbaarheid van het platform op andere fotokatalytische reacties, zoals de zuurstofevolutiereactie, de productie van waterstofperoxide en het genereren van verschillende organische verbindingen.

“Deze studie boekt grote vooruitgang op het gebied van fotokatalyse en toont het potentieel van groene waterstofproductie op zee met prestaties van wereldklasse. De onderscheidende materiaalkenmerken, hoge prestaties en brede toepasbaarheid op het gebied van fotokatalyse van ons platform zullen ongetwijfeld een nieuw hoofdstuk in alternatieve energie’, zegt prof. Hyeon.