Integrering av nanomaterial med ljusabsorberande molekyl ger väteproduktion från vatten och sol

I linje med utarmningen av fossila bränslen och de miljöproblem som vår planet står inför på grund av förbränningen av dessa bränslen, är utveckling av teknik för ren energiproduktion ett ämne av globalt intresse. Bland de olika metoder som föreslagits för att generera ren energi är fotokatalytisk vattendelning mycket lovande. Denna metod utnyttjar solenergi för att dela vattenmolekyler (H2O) och få fram diväte (H2). H2 kan sedan användas som ett kolfritt bränsle eller som råmaterial vid tillverkning av många viktiga kemikalier.

Nu har en forskargrupp under ledning av Kazuhiko Maeda vid Tokyo Tech utvecklat en ny fotokatalysator som består av metalloxidplattor i nanostorlek och en rutheniumfärgmolekyl, som fungerar enligt en mekanism som liknar färgämneskänsliggjorda solceller. Medan metalloxider som är fotokatalytiskt aktiva för övergripande vattenspaltning till H2 och O2 har breda bandgap, kan färgämneskänsliga oxider utnyttja synligt ljus, huvudkomponenten i solljuset (figur 1). Den nya fotokatalysatorn kan generera H2 från vatten med en omsättningsfrekvens på 1960 per timme och ett externt kvantutbyte på 2,4 %.

Dessa resultat är de högsta som registrerats för färgämneskänsliga fotokatalysatorer under synligt ljus, vilket för Maedas team ett steg närmare målet med artificiell fotosyntes – att replikera den naturliga processen att använda vatten och solljus för att på ett hållbart sätt producera energi.

Det nya materialet, som rapporteras i Journal of the American Chemical Society, är konstruerat av kalciumniobatnanoplattor (HCa2Nb3O10) med hög ytarea som är interkalerade med nanokluster av platina (Pt) som H2-utvecklande platser. De platina-modifierade nanoskikten fungerar dock inte ensamma, eftersom de inte absorberar solljus effektivt. Därför kombineras en synligt ljusabsorberande rutheniumfärgmolekyl med nanoplåten, vilket möjliggör soldriven H2-utveckling (figur 2).

Det som gör materialet effektivt är användningen av nanoplattor, som kan erhållas genom kemisk exfoliering av lamellärt HCa2Nb3O10. Nanoskiktens stora yta och strukturella flexibilitet maximerar färgämnesbelastningen och tätheten av H2-utvecklingsställen, vilket i sin tur förbättrar H2-utvecklingseffektiviteten. För att optimera prestandan modifierade Maedas team nanoskikten med amorf aluminiumoxid, som spelar en viktig roll för att förbättra elektronöverföringseffektiviteten. ”Ovanligt nog främjar aluminiumoxidmodifieringen för nanoskikten färgämnesregenerering under reaktionen, utan att hindra elektroninjektion från färgämnet i exciterat tillstånd till nanoskiktet ¬– det primära steget i färgämneskänslig H2-utveckling”, säger Maeda.

”Fram till alldeles nyligen ansågs det mycket svårt att åstadkomma H2-utveckling via total vattenspjälkning under synligt ljus med hjälp av en färgämneskänslig fotokatalysator med hög effektivitet”, förklarar Maeda. ”Vårt nya resultat visar tydligt att detta verkligen är möjligt med hjälp av en noggrant utformad molekyl-nanomaterialhybrid.”

Mer forskning behöver fortfarande göras, eftersom det kommer att bli nödvändigt att ytterligare optimera designen av hybridfotokatalysatorn för att förbättra effektiviteten och den långsiktiga hållbarheten. Fotokatalytisk vattenspjälkning kan vara ett viktigt sätt att tillgodose samhällets energibehov utan att ytterligare skada miljön, och studier som denna är viktiga språngbrädor för att nå vårt mål om en grönare framtid.