Waterstof is een alternatieve energiebron die kan worden geproduceerd uit hernieuwbare bronnen van zonlicht en water. Een groep Japanse onderzoekers heeft een fotokatalysator ontwikkeld die de waterstofproductie vertienvoudigt.

De ontdekking werd gedaan door een gezamenlijk onderzoeksteam onder leiding van universitair hoofddocent TACHIKAWA Takashi (Molecular Photoscience Research Center, Kobe University) en professor MAJIMA Tetsuro (Instituut voor Wetenschappelijk en Industrieel Onderzoek, Universiteit van Osaka). Hun bevindingen werden op 6 april gepubliceerd in de online versie van Internationale editie van Angewandte Chemie .

Wanneer licht wordt toegepast op fotokatalysatoren, elektronen en gaten worden geproduceerd op het oppervlak van de katalysator, en waterstof wordt verkregen wanneer deze elektronen de waterstofionen in water reduceren. Echter, in traditionele fotokatalysatoren recombineren de gaten die tegelijkertijd met de elektronen worden geproduceerd meestal op het oppervlak van de katalysator en verdwijnen, waardoor het moeilijk is om de conversie-efficiëntie te verhogen.

De onderzoeksgroep van professor Tachikawa ontwikkelde een fotokatalysator gemaakt van mesocrystal, opzettelijk een gebrek aan uniformiteit in grootte en rangschikking van de kristallen creëren. Deze nieuwe fotokatalysator is in staat om de elektronen en elektronengaten ruimtelijk te scheiden om te voorkomen dat ze opnieuw combineren. Als resultaat, het heeft een veel efficiëntere conversiesnelheid voor het produceren van waterstof dan conventionele fotokatalysatoren met nanodeeltjes (ongeveer 7 procent).

Het team ontwikkelde een nieuwe methode genaamd "topotactische epitaxiale groei", die gebruikmaakt van de nanometer-grote ruimten in mesocrystals. Op basis van deze synthesemethode konden ze strontiumtitanaat (SrTiO3) synthetiseren uit een verbinding met een andere structuur, titaanoxide (TiO2), met behulp van een eenvoudige eenstaps hydrothermische reactie. Door de reactietijd te verlengen, ze zouden ook grotere deeltjes in de buurt van het oppervlak kunnen laten groeien met behoud van hun kristallijne structuur.

Toen ze een co-katalysator aan het gesynthetiseerde mesokristal bevestigden en ultraviolet licht in water toepasten, de reactie vond plaats met een conversie-efficiëntie van ongeveer 7 procent lichtenergie. Onder dezelfde voorwaarden, SrTiO3-nanodeeltjes die niet in mesokristallen waren omgezet, bereikten een conversie-efficiëntie van minder dan 1 procent, wat aantoont dat de reactie-efficiëntie tienvoudig toenam onder de mesokristalstructuur. Toen elk deeltje onder een fluorescentiemicroscoop werd onderzocht, het team ontdekte dat de elektronen die tijdens de reactie werden geproduceerd, zich verzamelden rond de grotere nanokristallen.

Bij blootstelling aan ultraviolet licht, de elektronen in deze nieuw ontwikkelde fotokatalysator bewegen soepel tussen de nanodeeltjes in het mesocrystal, verzamelen rond de grotere nanokristallen gegenereerd op het oppervlak van het kristal, en efficiënt de waterstofionen verminderen om waterstof te creëren.

De ontdekking van deze krachtige fotokatalysator begon met het idee van de onderzoekers om "opzettelijk de geordende structuur van mesokristallen af ​​te breken, " een concept dat zou kunnen worden toegepast op andere materialen. Het strontiumtitanaat dat deze keer werd gebruikt, is een kubisch kristal, wat betekent dat er geen variatie is in moleculaire adsorptie of de reactiesterkte voor elk kristalvlak. Door de grootte en ruimtelijke ordening van de nanokristallen te reguleren, die de bouwstenen vormen voor deze structuur, het kan mogelijk zijn om de efficiëntie van de omzetting van lichtenergie van het bestaande systeem aanzienlijk te verhogen.

Met behulp van deze bevindingen, het lectoraat gaat mesocrystal-technologie toepassen om de superefficiënte productie van waterstof uit zonne-energie te realiseren. De perovskietmetaaloxiden, inclusief strontiumtitanaat, het doel van deze studie, zijn de fundamentele materialen van elektronische elementen, zodat hun resultaten kunnen worden toegepast op een breed scala aan velden.