OBRAZ: Nowy fotokatalizator składający się z nanoskalowych arkuszy tlenku metalu i cząsteczki barwnika rutenu może generować H2 z wody poprzez wykorzystanie światła widzialnego. view more
Credit: Tokyo Tech
Zgodnie z wyczerpującymi się zasobami paliw kopalnych i problemami środowiskowymi, z jakimi boryka się nasza planeta z powodu ich spalania, opracowanie technologii wytwarzania czystej energii jest tematem budzącym globalne zainteresowanie. Wśród różnych metod proponowanych do generowania czystej energii, fotokatalityczne rozszczepianie wody jest bardzo obiecujące. Metoda ta wykorzystuje energię słoneczną do rozszczepienia cząsteczek wody (H2O) i uzyskania diwodoru (H2). H2 może być następnie wykorzystane jako bezemisyjne paliwo lub jako surowiec do produkcji wielu ważnych chemikaliów.
Teraz zespół badawczy kierowany przez Kazuhiko Maeda z Tokyo Tech opracował nowy fotokatalizator składający się z nanoskalowych arkuszy tlenków metali i cząsteczki barwnika rutenu, który działa zgodnie z mechanizmem podobnym do ogniw słonecznych uczulonych na barwnik. Podczas gdy tlenki metali, które są fotokatalitycznie aktywne dla ogólnego rozszczepiania wody na H2 i O2 mają szerokie przerwy w paśmie, tlenki uczulone na barwnik mogą wykorzystywać światło widzialne, główny składnik światła słonecznego (Rysunek 1). Nowy fotokatalizator jest zdolny do generowania H2 z wody z częstotliwością obrotu 1960 na godzinę i zewnętrzną wydajnością kwantową 2,4%.
Te wyniki są najwyższymi odnotowanymi dla fotokatalizatorów uwrażliwionych na barwniki w świetle widzialnym, przybliżając zespół Maedy o krok do celu, jakim jest sztuczna fotosynteza — replikacja naturalnego procesu wykorzystywania wody i światła słonecznego do zrównoważonej produkcji energii.
Nowy materiał, opisany w Journal of the American Chemical Society, jest zbudowany z nanoszkieletów niobianu wapnia o dużej powierzchni (HCa2Nb3O10) interkalowanych nanoklasterami platyny (Pt) jako miejscami uwalniania H2. Jednakże, zmodyfikowane platyną nano-arkusze nie działają samodzielnie, ponieważ nie absorbują światła słonecznego w sposób efektywny. Dlatego cząsteczka barwnika rutenu pochłaniająca światło widzialne jest połączona z arkuszem, umożliwiając napędzaną energią słoneczną ewolucję H2 (rysunek 2).
To, co sprawia, że materiał jest wydajny, to wykorzystanie nanosiatek, które można uzyskać poprzez chemiczną eksfoliację lamelarnego HCa2Nb3O10. Duża powierzchnia i strukturalna elastyczność nanosieci maksymalizuje ładunek barwnika i gęstość miejsc ewolucji H2, co z kolei poprawia wydajność ewolucji H2. Ponadto, aby zoptymalizować wydajność, zespół Maedy zmodyfikował nanosieci amorficznym tlenkiem glinu, który odgrywa ważną rolę w poprawie wydajności transferu elektronów. „Bezprecedensowo, modyfikacja nanosiatek za pomocą tlenku glinu sprzyja regeneracji barwnika podczas reakcji, nie utrudniając przy tym wstrzykiwania elektronów z barwnika w stanie wzbudzonym do nanosiatki ¬– podstawowego etapu uwrażliwionej na barwnik ewolucji H2,” mówi Maeda.
„Jeszcze do niedawna uważano, że bardzo trudno jest osiągnąć ewolucję H2 poprzez ogólne rozszczepienie wody w świetle widzialnym za pomocą uwrażliwionego na barwnik fotokatalizatora z wysoką wydajnością,” wyjaśnia Maeda. „Nasz nowy wynik wyraźnie pokazuje, że jest to rzeczywiście możliwe, przy użyciu starannie zaprojektowanej hybrydy molekuła-nanomateriał”.
Więcej badań nadal wymaga przeprowadzenia, ponieważ konieczne będzie dalsze zoptymalizowanie projektu hybrydowego fotokatalizatora w celu poprawy wydajności i długoterminowej trwałości. Fotokatalityczne rozszczepianie wody może być kluczowym środkiem do zaspokojenia zapotrzebowania społeczeństwa na energię bez dalszego szkodzenia środowisku, a badania takie jak to są niezbędnym krokiem do osiągnięcia naszego celu, jakim jest bardziej ekologiczna przyszłość.
.