Wetenschappers van het Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) hebben een hybride materiaal ontwikkeld dat is opgebouwd uit een metaaloxide-nanoblad en een lichtabsorberend molecuul voor het splitsen van watermoleculen om diwaterstof (H ₂ ) onder zonlicht. sinds H ₂ kan worden gebruikt als koolstofvrije brandstof, deze studie geeft relevant inzicht in de opwekking van schone energie.

In lijn met de uitputting van fossiele brandstoffen en de milieuproblemen als gevolg van hun verbranding, de ontwikkeling van technologie voor de opwekking van schone energie is een onderwerp van mondiaal belang. Onder de verschillende voorgestelde methoden om schone energie op te wekken, fotokatalytische watersplitsing is veelbelovend. Deze methode maakt gebruik van zonne-energie om watermoleculen te splitsen en diwaterstof (H ₂ ). De H ₂ kan vervolgens worden gebruikt als koolstofvrije brandstof of als grondstof bij de productie van veel belangrijke chemicaliën.

Nutsvoorzieningen, een onderzoeksteam onder leiding van Kazuhiko Maeda van Tokyo Tech heeft een nieuwe fotokatalysator ontwikkeld die bestaat uit metaaloxidevellen op nanoschaal en een rutheniumkleurstofmolecuul, die werkt volgens een mechanisme dat vergelijkbaar is met kleurstofgevoelige zonnecellen. Terwijl metaaloxiden die fotokatalytisch actief zijn voor de algehele watersplitsing in H ₂ en O ₂ hebben brede bandhiaten, kleurstofgevoelige oxiden kunnen zichtbaar licht gebruiken, het hoofdbestanddeel van zonlicht (Figuur 1). De nieuwe fotokatalysator kan H . genereren ₂ uit water met een omzetfrequentie van 1960 per uur en een extern kwantumrendement van 2,4%.

Deze resultaten zijn de hoogste die zijn geregistreerd voor kleurstofgevoelige fotokatalysatoren onder zichtbaar licht, het team van Maeda een stap dichter bij het doel van kunstmatige fotosynthese brengen:het nabootsen van het natuurlijke proces van het gebruik van water en zonlicht om duurzaam energie te produceren.

Het nieuwe materiaal, gemeld in Tijdschrift van de American Chemical Society , is gemaakt van calciumniobaat nanosheets met een groot oppervlak (HCa ₂ Nb ₃ O ₁₀ ) geïntercaleerd met platina (Pt) nanoclusters als H ₂ - evoluerende sites. Echter, de platina-gemodificeerde nanosheets werken niet alleen, omdat ze het zonlicht niet efficiënt absorberen. Dus een zichtbaar lichtabsorberend rutheniumkleurstofmolecuul wordt gecombineerd met de nanosheet, door zonne-energie aangedreven H . mogelijk maken ₂ evolutie (Figuur 2).

Wat het materiaal efficiënt maakt, is het gebruik van nanosheets, die kan worden verkregen door chemische exfoliatie van lamellaire HCa ₂ Nb ₃ O ₁₀ . Het grote oppervlaktegebied en de structurele flexibiliteit van de nanosheets maximaliseren de kleurstofladingen en de dichtheid van H ₂ evolutie sites, die op hun beurt H . verbeteren ₂ evolutie efficiëntie. Ook, prestaties te optimaliseren, Maeda's team heeft de nanosheets aangepast met amorf aluminiumoxide, die een belangrijke rol speelt bij het verbeteren van de efficiëntie van de elektronenoverdracht. "Ongekend, de alumina-modificatie voor nanosheets bevordert de regeneratie van de kleurstof tijdens de reactie zonder de elektroneninjectie van de kleurstof in de aangeslagen toestand naar de nanosheet te belemmeren - de primaire stap van kleurstofgevoelig H ₂ evolutie, ' zegt Maeda.

"Tot voor kort, het werd als zeer moeilijk beschouwd om H . te bereiken ₂ evolutie via algehele watersplitsing onder zichtbaar licht met behulp van een kleurstofgevoelige fotokatalysator met hoge efficiëntie, " legt Maeda uit. "Ons nieuwe resultaat toont duidelijk aan dat dit inderdaad mogelijk is, met behulp van een zorgvuldig ontworpen molecuul-nanomateriaal hybride."

Er is meer onderzoek nodig, aangezien het nodig zal zijn om het ontwerp van de hybride fotokatalysator verder te optimaliseren om de efficiëntie en duurzaamheid op lange termijn te verbeteren. Fotokatalytische watersplitsing kan een cruciaal middel zijn om aan de energiebehoefte van de samenleving te voldoen zonder het milieu verder te schaden, en studies zoals deze zijn essentiële opstapjes om ons doel van een groenere toekomst te bereiken.