Integrering af nanomateriale med lysabsorberende molekyle giver mulighed for brintproduktion fra vand og sol

I tråd med udtømningen af fossile brændstoffer og de miljøproblemer, som vores planet står over for som følge af deres forbrænding, er udvikling af teknologi til ren energiproduktion et emne af global interesse. Blandt de forskellige metoder, der er foreslået til at generere ren energi, viser fotokatalytisk vandspaltning sig at være meget lovende. Denne metode udnytter solenergi til at opdele vandmolekyler (H2O) og opnå dihydrogen (H2). H2 kan derefter anvendes som et kulstoffrit brændstof eller som råmateriale i produktionen af mange vigtige kemikalier.

Nu har et forskerhold under ledelse af Kazuhiko Maeda ved Tokyo Tech udviklet en ny fotokatalysator bestående af metaloxidplader i nanoskala og et rutheniumfarvestofmolekyle, som fungerer efter en mekanisme, der ligner farvestofsensitiserede solceller. Mens metaloxider, der er fotokatalytisk aktive til samlet vandspaltning til H2 og O2, har brede båndgab, kan farvestofsensibiliserede oxider udnytte synligt lys, som er hovedbestanddelen af sollyset (figur 1). Den nye fotokatalysator er i stand til at generere H2 fra vand med en omsætningsfrekvens på 1960 pr. time og et eksternt kvanteudbytte på 2,4 %.

Disse resultater er de højeste, der er registreret for farvestofsensibiliserede fotokatalysatorer under synligt lys, hvilket bringer Maeda’s team et skridt nærmere målet om kunstig fotosyntese – at replikere den naturlige proces med at bruge vand og sollys til bæredygtig energiproduktion.

Det nye materiale, der er rapporteret i Journal of the American Chemical Society, er konstrueret af calciumniobat-nanoplader (HCa2Nb3O10) med et højt overfladeareal, der er interkaleret med platin (Pt)-nanoklynger som H2-udviklingssteder. De platinmodificerede nanoplader fungerer imidlertid ikke alene, da de ikke absorberer sollys effektivt. Derfor kombineres et synligt lysabsorberende rutheniumfarvestofmolekyle med nanobladet, hvilket muliggør soldrevet H2-udvikling (figur 2).

Det, der gør materialet effektivt, er brugen af nanoplader, som kan opnås ved kemisk exfoliering af lamelformet HCa2Nb3O10. Nanopladernes store overfladeareal og strukturelle fleksibilitet maksimerer farvestofbelastningen og tætheden af H2-udviklingssteder, hvilket igen forbedrer H2-udviklingseffektiviteten. For at optimere ydeevnen har Maedas hold også modificeret nanopladerne med amorf aluminiumoxid, som spiller en vigtig rolle for at forbedre elektronoverførselseffektiviteten. “Uden fortilfælde fremmer aluminiummodifikationen af nanopladerne farvestofgenereringen under reaktionen uden at hindre elektroninjektion fra farvestoffet i exciteret tilstand til nanopladen ¬– det primære trin i farvestofsensitiviseret H2-udvikling,” siger Maeda.

“Indtil for nylig blev det anset for meget vanskeligt at opnå H2-udvikling via samlet vandspaltning under synligt lys ved hjælp af en farvestofsensitiviseret fotokatalysator med høj effektivitet,” forklarer Maeda. “Vores nye resultat viser klart, at dette faktisk er muligt ved hjælp af en omhyggeligt designet molekyle-nanomateriale hybrid.”

Der er stadig behov for mere forskning, da det vil være nødvendigt at optimere designet af hybridfotokatalysatoren yderligere for at forbedre effektiviteten og den langsigtede holdbarhed. Fotokatalytisk vandspaltning kan være et afgørende middel til at opfylde samfundets energibehov uden at skade miljøet yderligere, og undersøgelser som denne er vigtige springbræt til at nå vores mål om en grønnere fremtid.