Momenteel, het grootste deel van het energieverbruik van de wereldbevolking is afkomstig van olie en andere niet-hernieuwbare hulpbronnen die in de nabije toekomst dreigen op te raken. Daarom heeft de ontwikkeling van kunstmatige fotosynthesemethoden met behulp van fotokatalysatoren om chemische energie (waterstofbrandstof) te produceren uit zonlicht en water veel aandacht gekregen en worden er verschillende onderzoeksprojecten op dit gebied uitgevoerd.

Tijdens kunstmatige fotosynthese, zuurstof (O ₂ ) wordt geproduceerd door de fotokatalysator via de watersplitsingsreactie. In samenwerking met onderzoekers van Kanazawa University, Shinshu University en de Universiteit van Tokio, Professor Onishi Hiroshi et al. van de Graduate School of Science van de Kobe University een meetevaluatiemethode ontwikkeld die in staat is om O . te detecteren ₂ 1000 keer sneller dan conventionele methoden. Het is te hopen dat de methode die door dit onderzoek is ontwikkeld, kan worden gebruikt om ons begrip van de reactiemechanismen achter kunstmatige fotosynthese te verbeteren en bij te dragen aan de ontwikkeling van fotokatalysatoren die in de echte wereld kunnen worden geïmplementeerd.

Het belang van het zo snel mogelijk openbaar maken van deze onderzoeksresultaten is erkend; het artikel gepubliceerd in het tijdschrift van de American Chemistry Society ACS Katalyse kreeg een geavanceerde online release op 29 oktober, 2020.

Onderzoeksachtergrond

kunstmatige fotosynthese, die kan worden gebruikt om chemische energie (waterstofbrandstof) uit zonlicht en water te produceren, heeft veel aandacht gekregen vanwege zijn potentieel om een ​​energiebron te leveren die geen CO2 uitstoot ₂ .Fotokatalysatoren zijn het belangrijkste onderdeel van kunstmatige fotosynthese. Het eerste fotokatalysatormateriaal werd in de jaren zeventig ontdekt en ontwikkeld door Japanse onderzoekers, en wetenschappers over de hele wereld hebben de afgelopen 50 jaar voortdurend gestreefd naar verbetering van hun efficiëntie.

De huidige onderzoeksstudie gebruikte een strontiumtitanaat (SrTiO ₃ ) fotokatalysator, die oorspronkelijk werd ontwikkeld door Special Contract Professor Domen Kazunari et al. van Shinshu University (een bijdragende onderzoeker aan deze studie). Als resultaat van verschillende verbeteringen die zijn aangebracht door Shinshu's universitair hoofddocent HISATOMI Takashi et al. (ook een bijdragende onderzoeker), dit fotokatalytische materiaal bereikte de hoogste reactieopbrengst (d.w.z. de efficiëntie van waterstofomzetting uit water via belichting door ultraviolet licht) ter wereld. Het laatste resterende probleem is het verbeteren van de efficiëntie van waterstofopwekking uit water en zonlicht, in plaats van kunstmatig ultraviolet licht. Het oplossen van dit probleem zou de geboorte van CO . betekenen ₂ -technologie voor het produceren van waterstof zonder brandstof die door de samenleving kan worden gebruikt.

Echter, een factor die pogingen om de conversie-efficiëntie te verbeteren belemmert, is de lage hoeveelheid zuurstof die uit het water wordt geproduceerd wanneer ook waterstof wordt geproduceerd. Om waterstof (H2) te genereren uit water (H2O) via kunstmatige fotosynthese, de volgende chemische reactie moet plaatsvinden:2H ₂ O → 2H ₂ + O ₂ . Hoewel het doel is om waterstof te produceren (dat door de samenleving als brandstof kan worden gebruikt) en niet zuurstof, de principes van de chemie vereisen dat tegelijkertijd zuurstof uit het water wordt geproduceerd om waterstof te kunnen produceren.

Verder, het proces van het genereren van zuurstof is ingewikkelder dan het proces van het genereren van waterstof, wat het bijgevolg moeilijk maakt om de efficiëntie van de reactie te verbeteren (de zuurstofatomen uit twee H ₂ O-deeltjes moeten aan elkaar hechten). Dit is een knelpunt dat de efficiënte omzetting van waterstof uit water met behulp van zonlicht beperkt.

Een oplossing zou zijn om de efficiëntie van de zuurstofconversie uit water te verbeteren, dit is echter geen eenvoudige zaak. Het is niet goed begrepen hoe zuurstof wordt gegenereerd uit water (d.w.z. het mechanisme achter de reactie), daarom is het proberen om deze reactie te verbeteren vergelijkbaar met werken in het donker. Om de situatie te verduidelijken, dit onderzoek was gericht op het ontwikkelen van een snelle detectiemethode om de zuurstof te observeren die wordt gegenereerd door kunstmatige fotosynthese om het mechanisme achter de water-zuurstofreactie te onthullen.

onderzoeksmethode

Deze onderzoeksstudie maakte gebruik van een methode voor chemische analyse onder water met behulp van micro-elektroden, ontwikkeld door professor TAKAHASHI Yasufumi et al. van Kanazawa University. (meedragende onderzoeker) als onderliggende technologie. De zuurstof die werd gegenereerd door de kunstmatige fotosynthese-fotokatalysator werd gedetecteerd toen deze weer in het water opging. Zoals weergegeven in figuur 1, het strontiumtitaniet fotokatalysatorpaneel werd ondergedompeld in water. De micro-elektrode, die bestond uit een platinadraad van 20 micrometer (ongeveer ¼ van een mensenhaar) waarvan de zijkanten bedekt waren met glas, werd in het water neergelaten op 100 micrometer afstand van het oppervlak van het fotokatalysatorpaneel.

Toen het fotokatalysatorpaneel werd verlicht door ultraviolet licht (met een golflengte van 280 nm) van een lichtemitterende diode, zuurstof (O ₂ ) en waterstof (H ₂ ) werden gescheiden van het water waar het contact maakte met het paneel. Deze zuurstof- en waterstofmoleculen kwamen vervolgens vrij in het water. De vrijgekomen zuurstof werd door het water verspreid en bereikte de micro-elektrode. De zuurstof die de micro-elektrode bereikte, ontving vier elektronen (e-) van de elektrode, wat resulteerde in de volgende transformatie:O ₂ + 2H ₂ O + 4e ^- → 4OH ^- .

Het aantal elektronen dat door de zuurstof van de elektrode wordt ontvangen, kan worden bepaald door de elektrische stroom te meten die door de elektrode gaat. Door de elektrische stroom te meten die elke 0,1 seconde door de elektrode ging, konden de onderzoekers berekenen hoeveel zuurstof de elektrode elke 0,1 seconde bereikte. Gaschromatografische detectie, het analytische apparaat dat tot nu toe voor zuurstofdetectie werd gebruikt, kan slechts om de drie minuten de hoeveelheid zuurstof meten. Dit onderzoek is erin geslaagd een detectiemethode te ontwikkelen die 1000 keer sneller is.

Het berekenen van de tijd die de zuurstof nodig heeft om de afstand van 100 micrometer door het water van het fotokatalysatorpaneel naar de elektrode af te leggen, is niet moeilijk. Dit kan worden bereikt door numerieke simulaties uit te voeren op een desktopcomputer, gebaseerd op de diffusiewetten van Fick. Door de meetresultaten van de micro-elektrode te vergelijken met die van de simulatie, bleek dat er een vertraging van één tot twee seconden was tussen het fotokatalysatorpaneel dat werd verlicht door UV-licht en de zuurstof die in het water vrijkwam. Deze vertraging is een nieuw fenomeen dat niet kon worden waargenomen via gaschromatografische detectie.

Aangenomen wordt dat deze vertraging een noodzakelijke voorbereidende fase is voor de verlichte fotokatalysator om te beginnen met het splitsen van water. Toekomstig onderzoek zal proberen deze hypothese te verifiëren, naast het onderzoeken van wat de fotokatalysator doet tijdens de voorbereidende fase. Hoe dan ook, verwacht wordt dat de in deze studie ontwikkelde zuurstofdetectiemethode, die 1000 keer sneller is dan eerdere detectiemethoden, zal leiden tot nieuwe ontwikkelingen in kunstmatige fotosynthese.

Professor Onishi Hiroshi, Graduate School of Science, Universiteit van Kobe, zegt, "Ik ben een fysisch chemie specialist, en het idee om de zuurstof te detecteren die wordt gegenereerd via kunstmatige fotosynthese met behulp van een micro-elektrode, kwam bij mij in 2015 op. we hebben het meetapparaat opgezet dat is ontwikkeld door professor Takahashi et al., die experts zijn in chemische analyse met behulp van micro-elektroden, en begon het toe te passen op fotokatalysatoren.

"Door het apparaat te verbeteren en knowhow over de werking ervan te vergaren, we hebben geverifieerd dat deze methode in staat is om de zuurstof te meten die wordt gegenereerd door het fotokatalysatorpaneel van professor Domen en universitair hoofddocent Hisatomi et al., die autoriteiten zijn op het gebied van fotokatalysatoronderzoek.

"In aanvulling, drie afgestudeerde studenten van de Graduate School of Science van de Kobe University stonden in de voorhoede van dit onderzoek gedurende de periode van vijf jaar vanaf de ontwikkeling van het computerprogramma voor de numerieke simulatie tot de ontdekking van de 'zuurstofafgiftevertraging'.

"De drie teams brachten de verschillende kenmerken van hun respectieve gebieden van fysische chemie, analytische chemie en katalysatorchemie tot de ontwikkeling van dit onderzoek. Door deze samenwerking, we zijn erin geslaagd een nieuw perspectief bij te dragen aan de wetenschap van kunstmatige fotosynthese."