Waterstof is een schone energiebron die kan worden geproduceerd door watermoleculen met licht te splitsen. Echter, het is momenteel niet mogelijk om dit op grote schaal te realiseren. Bij een recente doorbraak wetenschappers van de Tokyo University of Science, Japan, hebben een nieuwe methode ontwikkeld die plasmaontlading in oplossing gebruikt om de prestaties van de fotokatalysator in de watersplitsingsreactie te verbeteren. Dit opent deuren naar het verkennen van een aantal fotokatalysatoren die kunnen helpen deze reactie op te schalen.

De steeds erger wordende wereldwijde milieucrisis, in combinatie met de uitputting van fossiele brandstoffen, heeft wetenschappers gemotiveerd om op zoek te gaan naar schone energiebronnen. Waterstof (H ₂ ) kan dienen als milieuvriendelijke brandstof, en waterstofopwekking is een populair onderzoeksonderwerp geworden. Hoewel nog niemand een energiezuinige en betaalbare manier heeft gevonden om op grote schaal waterstof te produceren, de vooruitgang op dit gebied is gestaag en er zijn verschillende technieken voorgesteld.

Een dergelijke techniek omvat het gebruik van licht en katalysatoren (materialen die reacties versnellen) om water te splitsen (H ₂ O) in waterstof en zuurstof. De katalysatoren hebben kristallijne structuren en het vermogen om ladingen te scheiden aan de grensvlakken tussen sommige van hun zijden. Wanneer licht het kristal onder bepaalde hoeken raakt, de energie van het licht wordt geabsorbeerd in het kristal, waardoor bepaalde elektronen vrijkomen uit hun oorspronkelijke banen rond atomen in het materiaal. Als een elektron zijn oorspronkelijke plaats in het kristal verlaat, een positief geladen vacature, bekend als een gat, ontstaat in de structuur. Over het algemeen, deze "opgewonden" toestanden duren niet lang, en vrije elektronen en gaten recombineren uiteindelijk.

Dit is het geval met bismutvanadaat (BiVO ₄ ) ook kristalkatalysatoren. BiVO ₄ is onlangs onderzocht voor watersplitsingsreacties, gezien zijn belofte als een materiaal waarin ladingsscheiding kan optreden bij excitatie met zichtbaar licht. De snelle recombinatie van paren geladen entiteiten ("dragers") is een nadeel omdat dragers afzonderlijk moeten deelnemen aan reacties die water afbreken.

In een recente studie gepubliceerd in Tijdschrift voor chemische technologie , wetenschappers van het Photocatalysis International Research Center van de Tokyo University of Science, Japan, samen met wetenschappers van de Northeast Normal University in China, een nieuwe methode ontwikkeld om de ladingsscheidingskenmerken van decaëdrische (tienzijdige) BiVO . te verbeteren ₄ kristal katalysatoren. Prof Terashima, hoofdwetenschapper in het onderzoek, verklaart, "Recente studies hebben aangetoond dat dragers kunnen worden gegenereerd en gescheiden op de grensvlakken tussen de verschillende vlakken van bepaalde kristallen. In het geval van BiVO ₄ , echter, de krachten die dragers scheiden zijn te zwak voor elektron-gatparen die iets verder van de grensvlakken worden gegenereerd. Daarom, carrier scheiding in BiVO ₄ decaëders riepen op tot verdere verbeteringen, wat ons motiveerde om dit onderzoek uit te voeren."

In de techniek die ze voorstellen, BiVO ₄ nanokristallen worden blootgesteld aan wat wordt genoemd "oplossing plasma-ontlading", een sterk geladen straal van energetische materie die wordt geproduceerd door het aanleggen van hoge spanningen tussen twee terminals ondergedompeld in water. De plasmaontlading verwijdert enkele vanadium (V) -atomen van het oppervlak van specifieke vlakken van de kristallen, vanadium vacatures achterlaten. Deze vacatures fungeren als "elektronenvallen" die de grotere scheiding van dragers vergemakkelijken. Omdat deze vacatures in groter aantal zijn op de acht zijvlakken van de decaëder, elektronen worden op deze vlakken gevangen, terwijl gaten zich ophopen op de boven- en ondervlakken. Deze verhoogde ladingsscheiding resulteert in betere katalytische prestaties van de BiVO ₄ nanokristallen, waardoor de watersplitsingsprestaties worden verbeterd.

Deze studie vertegenwoordigt een nieuw gebruik van plasmaontlading in oplossing om de eigenschappen van kristallen te verbeteren. Prof Akira Fujishima, co-auteur van het artikel, zegt, "Ons werk heeft ons geïnspireerd om andere kristallen te heroverwegen die blijkbaar niet effectief zijn voor het splitsen van water. Het biedt een veelbelovende strategie om oplossingsplasma te gebruiken om ze te 'activeren'." Het gebruik van oplossing-plasma-ontlading heeft veel voordelen ten opzichte van het gebruik van conventioneel gasvormig plasma, wat het zowel technisch als economisch veel aantrekkelijker maakt. Prof Xintong Zhang van de Northeast Normal University, China, opmerkingen, "In tegenstelling tot gasvormig plasma, die moet worden gegenereerd in gesloten kamers, oplossingsplasma kan worden gegenereerd in een open reactor bij kamertemperatuur en in een normale luchtatmosfeer. In aanvulling, door met kristalpoeders in een oplossing te werken, het wordt handiger om de parameters van het proces te wijzigen, en het is ook makkelijker op te schalen."

Deze studie brengt ons hopelijk een stap dichter bij een efficiënte manier om waterstof te produceren, zodat we eindelijk kunnen afzien van fossiele brandstoffen en andere energiebronnen die schadelijk zijn voor onze planeet. Verder commentaar op de belofte van deze studie, Prof Terashima zegt, "Als efficiënte waterstofenergie kan worden geproduceerd met behulp van zonlicht en water, twee van de meest overvloedige hulpbronnen op aarde, een droom schone samenleving zou kunnen worden gerealiseerd."