Integratie van nanomateriaal met lichtabsorberend molecuul stimuleert waterstofproductie uit water en zon

In lijn met de uitputting van fossiele brandstoffen en de milieuproblemen waarmee onze planeet wordt geconfronteerd als gevolg van de verbranding ervan, is de ontwikkeling van technologie voor schone energieopwekking een onderwerp van wereldwijde belangstelling. Van de verschillende methoden die zijn voorgesteld om schone energie op te wekken, is fotokatalytische watersplitsing veelbelovend. Deze methode maakt gebruik van zonne-energie om watermoleculen (H2O) te splitsen en diwaterstof (H2) te verkrijgen. De H2 kan vervolgens worden gebruikt als koolstofvrije brandstof of als grondstof voor de productie van veel belangrijke chemicaliën.

Nu heeft een onderzoeksteam onder leiding van Kazuhiko Maeda van Tokyo Tech een nieuwe fotokatalysator ontwikkeld die bestaat uit nanoschaal metaaloxideplaatjes en een ruthenium kleurstofmolecuul, dat werkt volgens een mechanisme dat lijkt op kleurstofgevoelige zonnecellen. Terwijl metaaloxiden die fotokatalytisch actief zijn voor de totale splitsing van water in H2 en O2 brede bandgaps hebben, kunnen kleurstofgevoelige oxiden gebruik maken van zichtbaar licht, het hoofdbestanddeel van zonlicht (figuur 1). De nieuwe fotokatalysator is in staat H2 uit water te genereren met een omloopfrequentie van 1960 per uur en een externe kwantumopbrengst van 2,4%.

Deze resultaten zijn de hoogste die voor kleurstofgevoelige fotokatalysatoren onder zichtbaar licht zijn geregistreerd, en brengen Maeda’s team een stap dichter bij het doel van kunstmatige fotosynthese — het nabootsen van het natuurlijke proces van het gebruik van water en zonlicht om op duurzame wijze energie te produceren.

Het nieuwe materiaal, waarover is gerapporteerd in Journal of the American Chemical Society, is opgebouwd uit calciumniobaat-nanosheets met een hoog oppervlak (HCa2Nb3O10), intercalated met platina (Pt) nanoclusters als H2-evoluerende sites. De met platina gemodificeerde nanosheets werken echter niet alleen, aangezien zij zonlicht niet efficiënt absorberen. Daarom wordt een zichtbaar licht absorberende ruthenium kleurstofmolecule gecombineerd met de nanosheet, waardoor H2-evolutie op basis van zonlicht mogelijk wordt (figuur 2).

Wat het materiaal efficiënt maakt, is het gebruik van nanosheets, die kunnen worden verkregen door chemische exfoliatie van lamellaire HCa2Nb3O10. Het grote oppervlak en de structurele flexibiliteit van de nanosheets maximaliseren de kleurstofbelading en de dichtheid van H2-evolutiesites, die op hun beurt de H2-evolutie-efficiëntie verbeteren. Om de prestaties te optimaliseren, heeft Maeda’s team de nanosheets gemodificeerd met amorf aluminiumoxide, dat een belangrijke rol speelt bij het verbeteren van de elektronenoverdrachtsefficiëntie. “Ongekend, de alumina modificatie voor nanosheets bevordert kleurstof-regeneratie tijdens de reactie, zonder de elektroneninjectie van de aangeslagen-staat kleurstof naar de nanosheet te belemmeren ¬– de primaire stap van kleurstof-gesensibiliseerde H2-evolutie,” zegt Maeda.

“Tot voor kort werd het als zeer moeilijk beschouwd om H2-evolutie via totale watersplitsing onder zichtbaar licht te bereiken met behulp van een kleurstof-gesensibiliseerde fotokatalysator met een hoge efficiëntie,” legt Maeda uit. “Ons nieuwe resultaat toont duidelijk aan dat dit wel degelijk mogelijk is, met behulp van een zorgvuldig ontworpen molecuul-nanomateriaal hybride.”

Meer onderzoek moet nog worden gedaan, want het zal nodig zijn om het ontwerp van de hybride fotokatalysator verder te optimaliseren om de efficiëntie en duurzaamheid op lange termijn te verbeteren. Fotokatalytische watersplitsing kan een cruciaal middel zijn om aan de energiebehoefte van de samenleving te voldoen zonder het milieu verder te schaden, en studies als deze zijn essentiële stapstenen om ons doel van een groenere toekomst te bereiken.