Een onderzoeksgroep onder leiding van universitair hoofddocent Tachikawa Takashi van het Molecular Photoscience Research Center van Kobe University is erin geslaagd een strategie te ontwikkelen die de hoeveelheid waterstof geproduceerd uit zonlicht en water aanzienlijk verhoogt met behulp van hematiet-fotokatalysatoren.

Waterstof heeft aandacht gekregen als mogelijke energieoplossing van de volgende generatie, en het kan worden geproduceerd uit zonlicht en water met behulp van fotokatalysatoren. Om dit praktisch mogelijk te maken, het is noodzakelijk om funderingstechnologieën te ontwikkelen om het potentieel van de fotokatalysatoren te optimaliseren, naast het vinden van nieuwe materialen voor katalysatoren.

Deze keer, Tachikawa et al. produceerde met succes een fotoanode met een extreem hoge geleidbaarheid. Dit werd uitsluitend bereikt door hematiet-mesocrystals te gloeien, (superstructuren bestaande uit minuscule nanodeeltjes van ca. 5nm) op een transparant elektrodesubstraat. Hematiet kan een breed scala aan zichtbaar licht absorberen en is veilig, stal, en goedkoop.

Met deze fotoanode, de elektronen en gaten geproduceerd door de lichtbron snel gescheiden en, tegelijkertijd, een groot aantal gaten dicht opeengehoopt op het oppervlak van de deeltjes. De opeenhoping van gaten verbeterde de efficiëntie van de wateroxidatiereactie; de langzame oxidatie van het water was voorheen een knelpunt bij het splitsen van water.

Naast het verhogen van de hoge efficiëntie van wat wordt beschouwd als 's werelds best presterende fotoanode, deze strategie zal ook worden toegepast op kunstmatige fotosynthese en zonne-watersplitsingstechnologieën via samenwerkingen tussen de universiteit en de industrie.

Deze resultaten worden gepubliceerd in het Duitse online chemietijdschrift Internationale editie van Angewandte Chemie op 30 april. Dit werk stond ook op de binnenomslag.

Hoofdpunten:

• Talloze zuurstofvacatures werden gevormd in de mesocrystals van hematiet door kleine, sterk georiënteerde nanodeeltjes van minder dan 10 nanometer te accumuleren en te sinteren.
• De aanwezigheid van zuurstofvacatures verbeterde de geleidbaarheid van de fotokatalysatorelektrode, tegelijkertijd geeft het een significante oppervlaktepotentiaalgradiënt, waardoor de scheiding van elektronen en gaten wordt bevorderd.
• Tegelijkertijd verplaatste een groot aantal gaten zich naar het oppervlak van de deeltjes, waardoor een hoge zuurstofontwikkeling uit water mogelijk is. Dit stelde de onderzoekers in staat om 's werelds hoogste watersplitsingsprestaties voor hematietanoden ter wereld te bereiken.
• Deze strategie kan worden toegepast op een breed scala aan fotokatalysatoren, beginnend met zonne-water-splitsing.

Nu de wereld wordt geconfronteerd met toenemende milieu- en energieproblemen, waterstof heeft aandacht gekregen als een van de mogelijke energiebronnen van de volgende generatie. Ideaal, fotokatalysatoren kunnen worden gebruikt om water en zonlicht om te zetten in waterstof. Echter, een conversieratio voor zonne-energie van meer dan 10% is nodig om een ​​dergelijk systeem industrieel toepasbaar te maken. Gebruikmakend van de sterke punten van Japan bij het ontdekken van nieuwe materialen, het is van vitaal belang om een ​​gemeenschappelijke basistechnologie tot stand te brengen die het potentieel van fotokatalysatoren kan ontsluiten om dit doel te bereiken.

Eerder, Tachikawa et al. ontwikkelde 'mesocrystal technology', waarbij nanodeeltjes in fotokatalysatoren nauwkeurig worden uitgelijnd om de stroom van elektronen en hun gaten te regelen. Onlangs, ze pasten deze technologie toe op hematiet (a-Fe ₂ O ₃ ), en slaagde erin om de conversieratio drastisch te verhogen.

Deze keer, ze waren in staat om de conversieratio te verhogen tot 42% van de theoretische limiet (16%) door kleine subeenheden van nanodeeltjes in het hematiet te synthetiseren.

Mesocrystal technologie:

Het belangrijkste probleem dat een daling van de conversiesnelheid in fotokatalytische reacties veroorzaakt, is dat de elektronen en gaten die door licht worden geproduceerd, recombineren voordat ze kunnen reageren met de moleculen (in dit geval, water) aan de oppervlakte. Tachikawa et al. creëerde hematiet mesocrystal superstructuren met sterk georiënteerde nanodeeltjes via solvotherme synthese. Ze waren in staat om geleidende mesocrystal fotoanodes te ontwikkelen voor het splitsen van water door mesocrystals op te hopen en te sinteren op het transparante elektrodesubstraat (Figuur 1).

Vorming en prestatie van fotokatalysatoren:

Mesocrystal fotoanodes werden geproduceerd door het transparante elektrodesubstraat te coaten met hematiet mesocrystals die titanium bevatten en deze vervolgens te gloeien bij 700 ºC. Een co-katalysator werd afgezet op het oppervlak van de mesokristallen. Toen de fotokatalysatoren in een alkalische oplossing werden geplaatst en belicht met kunstmatig zonlicht, de watersplitsingsreactie vond plaats bij een fotostroomdichtheid van 5,5 mAcm-2 onder een aangelegde spanning van 1,23 V (Figuur 1). Dit is de hoogste prestatie ter wereld voor hematiet, wat een van de meest ideale fotokatalysatormaterialen is vanwege zowel de lage kosten als de lichtabsorptie-eigenschappen. In aanvulling, de hematiet mesocrystal fotoanodes functioneerden stabiel tijdens herhaalde experimenten in de loop van 100 uur.

De sleutel tot het bereiken van een hoge conversieratio is de grootte van de nanodeeltjes waaruit de mesokristalstructuur bestaat. Het is mogelijk om de hoeveelheid zuurstofvacatures die zich tijdens het sinterproces vormen aanzienlijk te vergroten door de nanodeeltjes zo klein te maken als 5 nm en de verbindende interfaces tussen de nanodeeltjes te vergroten. Dit verhoogde de elektronendichtheid, en aanzienlijk verhoogde de geleidbaarheid van de mesocrystals (Figuur 2).

De hoge elektronendichtheid hangt samen met de vorming van een grote band die buigt nabij het mesocrystaloppervlak. Dit bevordert de aanvankelijke ladingsscheiding en maakt het gemakkelijker voor gaten om zich op het oppervlak op te hopen. Dit resultaat werd geoptimaliseerd door de kleine nanodeeltjesstructuur van de mesocrystals, en versterkte de wateroxidatiereactie die een knelpunt was geweest voor efficiënte watersplitsing (Figuur 3).

Deze studie onthulde dat mesocrystal-technologie in staat is om het recombinatieprobleem aanzienlijk te minimaliseren, wat de belangrijkste oorzaak is van het lage rendement van fotokatalysatoren, en exponentieel de watersplitsingsreactie versnellen.

Het is te hopen dat deze strategie ook op andere metaaloxiden kan worden toegepast. Volgende, de onderzoekers zullen samenwerken met industrieën om de hematiet-mesocrystal-fotoanodes te optimaliseren en een industrieel systeem te implementeren voor het produceren van waterstof uit zonnelicht. Tegelijkertijd, de strategie ontwikkeld door deze studie zal worden toegepast op verschillende reacties, inclusief kunstmatige fotosynthese.