OBRÁZEK: Nový fotokatalyzátor sestávající z nanorozměrných plátků oxidů kovů a molekuly rutheniového barviva dokáže vyrábět H2 z vody využitím viditelného světla. zobrazit více
Kredit: Tokyo Tech
V souladu s vyčerpáním fosilních paliv a environmentálními problémy, kterým naše planeta kvůli jejich spalování čelí, je vývoj technologií pro výrobu čisté energie tématem celosvětového zájmu. Mezi různými navrhovanými metodami výroby čisté energie se jako velmi slibná jeví metoda fotokatalytického štěpení vody. Tato metoda využívá sluneční energii ke štěpení molekul vody (H2O) a získávání dihydrogenu (H2). H2 pak může být použit jako bezuhlíkové palivo nebo jako surovina pro výrobu mnoha důležitých chemikálií.
Výzkumný tým vedený Kazuhiko Maedou z Tokijské techniky nyní vyvinul nový fotokatalyzátor sestávající z nanorozměrných plátků oxidů kovů a molekuly rutheniového barviva, který funguje podle podobného mechanismu jako solární články citlivé na barvivo. Zatímco oxidy kovů, které jsou fotokatalyticky aktivní pro celkové štěpení vody na H2 a O2, mají široké pásmové mezery, oxidy citlivé na barvivo mohou využívat viditelné světlo, hlavní složku slunečního záření (obr. 1). Nový fotokatalyzátor je schopen generovat H2 z vody s frekvencí obratu 1960 za hodinu a vnějším kvantovým výtěžkem 2,4 %.
Tyto výsledky jsou nejvyšší zaznamenané u fotokatalyzátorů citlivých na barvivo ve viditelném světle, čímž se Maedův tým přiblížil o krok blíže k cíli umělé fotosyntézy – replikaci přírodního procesu využívání vody a slunečního světla k udržitelné výrobě energie.
Nový materiál, o němž informoval časopis Journal of the American Chemical Society, je zkonstruován z nanolistů niobanu vápenatého (HCa2Nb3O10) s vysokou povrchovou plochou, které jsou interkalovány nanoklastry platiny (Pt) jako místy pro uvolňování H2. Nanovrstvy modifikované platinou však samy o sobě nefungují, protože neabsorbují účinně sluneční světlo. Proto je s nanovrstvou kombinována molekula rutheniového barviva pohlcující viditelné světlo, což umožňuje solárně poháněný vývin H2 (obr. 2).
To, co činí materiál účinným, je použití nanolistů, které lze získat chemickou exfoliací lamelárního HCa2Nb3O10. Vysoká povrchová plocha a strukturní flexibilita nanolistů maximalizují zatížení barvivem a hustotu míst pro vývin H2, což následně zvyšuje účinnost vývinu H2. Pro optimalizaci výkonu také Maedův tým modifikoval nanolístky amorfním oxidem hlinitým, který hraje důležitou roli při zlepšování účinnosti přenosu elektronů. „Bezprecedentní je, že modifikace oxidu hlinitého pro nanovrstvy podporuje regeneraci barviva během reakce, aniž by bránila vstřikování elektronů z barviva v excitovaném stavu do nanovrstvy ¬– primární krok vývinu H2 citlivého na barvivo,“ říká Maeda.
„Ještě nedávno bylo považováno za velmi obtížné dosáhnout vývinu H2 celkovým štěpením vody pod viditelným světlem pomocí fotokatalyzátoru citlivého na barvivo s vysokou účinností,“ vysvětluje Maeda. „Náš nový výsledek jasně ukazuje, že je to skutečně možné, a to za použití pečlivě navrženého hybridu molekuly a nanomateriálu.“
Je třeba ještě provést další výzkum, protože bude nutné dále optimalizovat konstrukci hybridního fotokatalyzátoru, aby se zlepšila účinnost a dlouhodobá životnost. Fotokatalytické štěpení vody může být klíčovým prostředkem k uspokojení energetických nároků společnosti bez dalšího poškozování životního prostředí a studie, jako je tato, jsou nezbytným odrazovým můstkem k dosažení našeho cíle, kterým je zelenější budoucnost.