Wetenschappers van het Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) demonstreren het eerste foto-elektrochemische systeem met zichtbaar licht voor het splitsen van water met behulp van TiO ₂ versterkt met een aardrijk materiaal - kobalt. De voorgestelde aanpak is eenvoudig en vormt een opstapje in de zoektocht naar betaalbare watersplitsing om waterstof te produceren, een schoon alternatief voor fossiele brandstof.

Foto-elektrochemische watersplitsing, het proces waarbij lichtenergie wordt gebruikt om watermoleculen te splitsen in waterstof (H ₂ ) en zuurstof (O ₂ ), is een veelbelovende aanpak om zuivere waterstof te verkrijgen voor gebruik als alternatieve schone brandstof. Dit proces wordt uitgevoerd in elektrochemische cellen die een anode en een kathode bevatten ondergedompeld in water, die via een extern circuit zijn aangesloten.

Bij de anode, wateroxidatie treedt op, waarbij O ₂ wordt geproduceerd door energie uit lichtgolven te halen. Deze golven dragen energie over aan de elektronen van het anodemateriaal, waardoor ze door het externe circuit kunnen bewegen om de kathode te bereiken. Hier, de ontvangen elektronen en het kathodemateriaal veroorzaken H ₂ te vormen.

Daten, het was om verschillende redenen moeilijk om foto-elektrochemische systemen te vinden die dit proces efficiënt uitvoeren. Titaandioxide (TiO ₂ ), een bekend en veel gebruikt fotoanodemateriaal, kan alleen energie van licht absorberen in het ultraviolette gebied; dat is, hoogenergetisch licht. Omdat het de voorkeur verdient om gebruik te maken van de energie van licht met een langere golflengte, TiO ₂ kan worden gemengd met edele metalen (zoals goud of zilver) om het gevoelig te maken voor zichtbaar licht, maar dit zou duur zijn bij grootschalige toepassingen.

Om een ​​oplossing voor dit probleem te vinden, een onderzoeksteam van Tokyo Tech creëerde de eerste zichtbaar licht fotoanode gemaakt van TiO ₂ versterkt met een aardrijk materiaal - kobalt. Hun studie gepubliceerd in ACS toegepaste materialen en interfaces verklaart het verrassend eenvoudige proces van fotoanodefabricage; dunne TiO ₂ films worden volgens een standaardprocedure op een substraat gekweekt en vervolgens wordt kobalt ingebracht door ze onder te dompelen in een waterige kobaltnitraatoplossing. "Deze studie toont aan dat een door zichtbaar licht aangedreven foto-elektrochemische cel voor wateroxidatie kan worden geconstrueerd door het gebruik van aardrijke metalen zonder ingewikkelde voorbereidingsprocedures, " merkt prof. Kazuhiko Maeda op, die het onderzoek leidde.

Door middel van meerdere soorten spectrometrie-analyses en scanning-elektronenmicroscopie, de onderzoekers identificeerden de specifieke samenstelling en structuur van het met kobalt gemodificeerde oppervlak van de TiO ₂ fotoanode om te begrijpen hoe kobalt het materiaal in staat stelt zichtbaar licht te absorberen om elektronen te mobiliseren en wateroxidatie te veroorzaken. Het blijkt dat kobaltdomeinen niet alleen zichtbaar licht opvangen en ladingen (elektronen) overdragen aan de TiO ₂ koppel, maar dienen ook als katalytische plaatsen die wateroxidatie vergemakkelijken. Bovendien, vonden de onderzoekers dat de structuur van de basis TiO ₂ dunne film beïnvloedt de prestaties van de uiteindelijke gemodificeerde fotoanode, vermoedelijk door een betere of slechtere accommodatie van kobaltatomen toe te staan. De structuur van de TiO ₂ film kan eenvoudig worden afgesteld door fabricageparameters aan te passen, waardoor het team meerdere tests kon uitvoeren om inzicht te krijgen in dit fenomeen.

Er moet nog meer worden gedaan, omdat het nodig zal zijn om het ontwerp van de fotoanode verder te optimaliseren om het proces van ladingsoverdracht tussen de kobaltatomen en de TiO te verbeteren ₂ substraat om hogere wateroxidatiesnelheden te bereiken. Hoe dan ook, een groot voordeel van het voorgestelde wateroxidatiesysteem is dat het niet opofferend is; met andere woorden, de gebruikte materialen zijn niet afhankelijk van energierijke oxidanten en/of reductiemiddelen (d.w.z. opofferende reagentia). "Tot dusver, kobalt-gesensibiliseerde waterfoto-oxidatiesystemen bestonden uit fotokatalyse op basis van poeder, die alleen werken in aanwezigheid van een opofferingselektronenacceptor. Daarom, de huidige studie demonstreert ook opoffering reagens-vrije zichtbaar licht watersplitsing met behulp van een kobalt-gesensibiliseerd halfgeleidermateriaal (TiO ₂ ), " concludeert prof. Maeda. Deze studie zal hopelijk dienen als een opstap voor iedereen die probeert betaalbare watersplitsing te realiseren om een ​​groenere toekomst te verzekeren.