Высокоэффективное производство газообразного водорода с использованием солнечного света, воды и гематита

Исследовательская группа под руководством доцента TACHIKAWA Takashi из Исследовательского центра молекулярной фотологии в университете Кобе успешно разработала стратегию, которая значительно увеличивает количество водорода, выделяемого из солнечного света и воды, с использованием гематитовых фотокатализаторов сообщает сайт nexusrus.com. (* 1)

Водород привлек внимание как возможное энергетическое решение следующего поколения, и его можно получать из солнечного света и воды с использованием фотокатализаторов. Чтобы сделать это практически осуществимым, необходимо разработать фундаментные технологии для оптимизации потенциала фотокатализаторов, в дополнение к поиску новых материалов для катализаторов.

На этот раз Tachikawa et al. успешно изготовили фотоанод с чрезвычайно высокой проводимостью. Это было достигнуто исключительно путем отжига гематитовых (* 2) мезокристаллов (* 3, сверхструктур, состоящих из крошечных наночастиц размером около 5 нм) к прозрачной электродной подложке. Гематит может поглощать широкий спектр видимого света и является безопасным, стабильным и недорогим. С помощью этого фотоанода электроны и дырки, создаваемые источником света, быстро отделяются, и в то же время на поверхности частиц плотно скапливается большое количество дырок. Накопление отверстий улучшило эффективность реакции окисления воды; медленное окисление воды ранее было узким местом в водоразделении.

В дополнение к повышению высокой эффективности того, что считается самым эффективным в мире фотоанодом, эта стратегия будет также применяться к технологиям искусственного фотосинтеза и солнечного расщепления воды благодаря сотрудничеству между университетом и промышленностью.

Эти результаты будут опубликованы в немецком онлайн-журнале по химии « Angewandte Chemie International Edition » 30 апреля. Эта работа была также включена во внутреннюю обложку.

Основные положения:

• Многочисленные кислородные вакансии (* 5) образовывались внутри мезокристаллов гематита путем накопления и спекания крошечных высокоориентированных наночастиц размером менее 10 нанометров.
• Наличие кислородных вакансий улучшило проводимость фотокаталитического электрода, в то же время придав ему значительный градиент поверхностного потенциала, тем самым способствуя разделению электронов и дырок.
• В то же время большое количество дырок перемещается к поверхности частиц, обеспечивая высокую скорость выделения кислорода из воды. Это позволило исследователям достичь самых высоких в мире показателей солнечного расщепления воды для гематитовых анодов.
• Эта стратегия может быть применена к широкому спектру фотокатализаторов, начиная с солнечного расщепления воды.

Фон исследования

Поскольку мир сталкивается с растущими экологическими и энергетическими проблемами, водород привлек внимание как один из возможных источников энергии следующего поколения. В идеале фотокатализаторы можно использовать для превращения воды и солнечного света в водород. Однако степень превращения солнечной энергии более 10% необходима для того, чтобы такая система была принята в промышленности. Используя сильные стороны Японии в открытии новых материалов, жизненно важно создать общую технологию, которая может раскрыть потенциал фотокатализаторов для достижения этой цели.

Ранее Tachikawa et al. разработана «мезокристаллическая технология», которая включает в себя точное выравнивание наночастиц в фотокатализаторах для контроля потока электронов и их дырок. Недавно они применили эту технологию к гематиту (a-Fe2O3), и им удалось резко увеличить коэффициент конверсии.

На этот раз им удалось повысить степень конверсии до 42% от ее теоретического предела (16%) путем синтеза крошечных субъединиц наночастиц в гематите.

Методология исследования

Мезокристаллическая технология:

Основная проблема, которая вызывает снижение скорости конверсии в фотокаталитических реакциях, заключается в том, что электроны и дырки, образованные светом, рекомбинируют, прежде чем они смогут реагировать с молекулами (в данном случае, водой) на поверхности. Tachikawa et al. создали гематитовые мезокристаллические сверхструктуры с высокоориентированными наночастицами путем сольватермического синтеза (* 7). Им удалось разработать проводящие мезокристаллические фотоаноды для расщепления воды путем накопления и спекания мезокристаллов на прозрачной электродной подложке.

Формирование и производительность фотокатализатора:

Мезокристаллические фотоаноды были получены путем покрытия прозрачной электродной подложки мезокристаллами гематита, содержащими титан, и последующего отжига при 700?C. Сокатализатор (* 8) был нанесен на поверхность мезокристаллов. Когда фотокатализаторы были помещены в щелочной раствор и освещены искусственным солнечным светом, реакция расщепления воды имела место при плотности фототока 5,5 мАсм-2 при приложенном напряжении 1,23 В. Это самая высокая эффективность, достигнутая в мире для гематита, который является одним из самых идеальных фотокаталитических материалов благодаря его низкой стоимости и светопоглощающим свойствам. Кроме того, фотоаноды мезокристалла гематита стабильно функционировали во время повторных экспериментов в течение 100 часов.

Ключом к достижению высокой степени конверсии является размер наночастиц, которые составляют мезокристаллическую структуру. Можно значительно увеличить количество кислородных вакансий, которые образуются во время процесса спекания, делая наночастицы размером до 5 нм и увеличивая соединительные границы между наночастицами. Это повысило электронную плотность и значительно увеличило проводимость мезокристаллов.

Высокая электронная плотность связана с образованием изгиба большой полосы (* 9) вблизи поверхности мезокристалла. Это способствует начальному разделению заряда, а также облегчает накопление дырок на поверхности. Этот результат был оптимизирован благодаря крошечной структуре наночастиц мезокристаллов и ускорил реакцию окисления воды, которая была узким местом для эффективного расщепления воды.

Дальнейшие исследования

Это исследование показало, что мезокристаллическая технология способна значительно минимизировать проблему рекомбинации, которая является основной причиной низкой эффективности фотокатализаторов, и экспоненциально ускорить реакцию расщепления воды.

Есть надежда, что эта стратегия может быть применена и к другим оксидам металлов. Затем исследователи будут сотрудничать с отраслями промышленности для оптимизации мезокристаллических фотоанодов гематита и внедрения промышленной системы для получения водорода из солнечного света. В то же время стратегия, разработанная в этом исследовании, будет применяться к различным реакциям, включая искусственный фотосинтез.

глоссарий

1. Фотокатализатор: материал, который можно использовать в качестве катализатора для реакций, связанных с освещением. Фотокатализатор наносится на подложку, которая поглощает свет. Используемый в качестве электрода, его также можно назвать фотокаталитическим анодом или фотоанодом. В этом исследовании фотокатализатор использовался для реакции, чтобы произвести водород, расщепляя молекулы воды.

2. Гематит: тип железооксидной руды. Помимо того, что он безопасен, недорог и стабилен (pH> 3), гематит может поглощать широкий спектр видимого света (около 600 нм). Теоретический предел эффективности его солнечной энергии составляет 16% (плотность фототока 13 мАсм-2).

3. Мезокристалл: пористые кристаллические надстройки, состоящие из наночастиц, которые сильно выровнены. Сотни нанометров или микрометров имеют небольшие поры между наночастицами от 2 до 50 нанометров.

4. Искусственный фотосинтез: метод искусственного воссоздания фотосинтеза, при котором растения преобразуют солнечный свет, воду и углекислый газ в углеводы и кислород. Искусственный фотосинтез также может быть использован для получения других полезных соединений.

5. Кислородная вакансия. Внутри мезокристаллической структуры есть места, где нет кислорода, они называются кислородными вакансиями (Vo). В гематите создание этих кислородных вакансий увеличивает электропроводность, потому что Fe3 + дезоксигенируется, превращаясь в Fe2 + (молекулы кислорода перемещаются, чтобы заполнить вакансии).

6. Эффективность преобразования энергии света: количество легких частиц, использованных в реакции (выход), деленное на количество введенных легких частиц. Это выражается в процентах.

7. Солвотермический метод: метод синтеза твердых веществ с использованием растворителей при высоких температурах и высоких давлениях.

8. Сокатализатор: вещество, используемое вместе с фотокатализатором для ускорения каталитической реакции. В этом исследовании ион фосфата кобальта (Co-Pi) был использован в качестве сокатализатора для увеличения производства кислорода.

9. Зона: проводящая зона и валентная зона являются зонами, которые могут занимать электроны и их дырки. В полупроводниках существует небольшая запрещенная зона между валентной зоной и зоной проводимости, что позволяет разумному количеству валентных электронов перемещаться в зону проводимости при приложении определенного количества энергии. Когда электронная плотность в зоне проводимости увеличивается, они движутся к поверхности, образуя восходящую кривую.

10. Фотопроводящий АСМ (атомно-силовой микроскоп): позволяет наноразмерный анализ электрических характеристик материала. В текущем исследовании это использовалось для измерения тока отдельных мезокристаллических частиц, освещая их светодиодным светом с длиной волны 405 нм.