KÉP: Egy új fotokatalizátor, amely nanoméretű fém-oxid lapokból és egy ruthénium festékmolekulából áll, a látható fény felhasználásával H2-t képes előállítani vízből. tovább
Hitel: Tokyo Tech
A fosszilis tüzelőanyagok kimerülésével és az elégetésük miatt bolygónknak okozott környezeti problémákkal összhangban a tiszta energiatermelést szolgáló technológia fejlesztése globális érdeklődés tárgyát képezi. A tiszta energia előállítására javasolt különböző módszerek közül a fotokatalitikus vízbontás ígéretesnek tűnik. Ez a módszer a napenergiát használja fel a víz (H2O) molekulák megosztására és dihidrogén (H2) előállítására. A H2 ezután szénmentes üzemanyagként vagy nyersanyagként használható fel számos fontos vegyi anyag előállításához.
Most a Tokyo Tech Kazuhiko Maeda által vezetett kutatócsoport kifejlesztett egy új fotokatalizátort, amely nanoméretű fém-oxid lapokból és egy rutenium festékmolekulából áll, és a festékérzékenyített napelemekhez hasonló mechanizmus szerint működik. Míg a fotokatalitikusan aktív fémoxidok a víz H2-re és O2-re történő általános vízbontásához széles sávhézaggal rendelkeznek, addig a festékérzékenyített oxidok a látható fényt, a napfény fő komponensét képesek hasznosítani (1. ábra). Az új fotokatalizátor képes vízből H2-t előállítani, óránként 1960-as forgalmi gyakorisággal és 2,4%-os külső kvantumhozammal.
Ezek az eredmények a legmagasabbak, amelyeket festékérzékenyített fotokatalizátorok esetében látható fényben regisztráltak, és ezzel Maeda csapata egy lépéssel közelebb került a mesterséges fotoszintézis céljához – a víz és a napfény fenntartható energiatermelésre való felhasználásának természetes folyamatának megismétléséhez.
A Journal of the American Chemical Society című folyóiratban közölt új anyag nagy felületű kalcium-niobát nanorétegekből (HCa2Nb3O10) épül fel, amelyekben platina (Pt) nanoklaszterek vannak interkalálódva H2-képző helyként. A platinával módosított nanorétegek azonban önmagukban nem működnek, mivel nem nyelik el hatékonyan a napfényt. Ezért egy látható fényt elnyelő ruthénium festékmolekulát kombináltak a nanoréteggel, ami lehetővé teszi a napenergia által vezérelt H2-fejlődést (2. ábra).
Az anyagot az teszi hatékonnyá, hogy nanorétegeket használnak, amelyek a lamellás HCa2Nb3O10 kémiai hámlasztásával nyerhetők. A nanorétegek nagy felületű felülete és szerkezeti rugalmassága maximalizálja a festékterhelést és a H2-fejlődési helyek sűrűségét, ami viszont javítja a H2-fejlődés hatékonyságát. Emellett a teljesítmény optimalizálása érdekében Maeda csapata amorf alumínium-oxiddal módosította a nanorétegeket, amely fontos szerepet játszik az elektronátvitel hatékonyságának javításában. “Példátlan módon a nanorétegek alumínium-dioxid-módosítása elősegíti a reakció során a festék regenerálódását, anélkül, hogy akadályozná az elektronok bejutását a gerjesztett állapotú festékből a nanorétegbe ¬– a festékérzékenyített H2-fejlődés elsődleges lépése” – mondja Maeda.
“Egészen a közelmúltig nagyon nehéznek tartották, hogy látható fényben, festékérzékenyített fotokatalizátorral nagy hatékonyságú H2-fejlődést érjenek el teljes vízbontáson keresztül” – magyarázza Maeda. “Új eredményünk egyértelműen bizonyítja, hogy ez valóban lehetséges, egy gondosan megtervezett molekula-nanoanyag hibrid segítségével”.
Még további kutatásokra van szükség, mivel tovább kell optimalizálni a hibrid fotokatalizátor kialakítását a hatékonyság és a hosszú távú tartósság javítása érdekében. A fotokatalitikus vízbontás kulcsfontosságú eszköz lehet a társadalom energiaigényének kielégítésében anélkül, hogy tovább károsítanánk a környezetet, és az ehhez hasonló tanulmányok nélkülözhetetlen lépcsőfokok a zöldebb jövőre irányuló célunk eléréséhez.