Als eerste is een kleurstof-gesensibiliseerde fotokatalysator die de meest efficiënte zonne-watersplitsingsactiviteit mogelijk maakt die tot nu toe is geregistreerd (voor vergelijkbare katalysatoren), geoptimaliseerd door onderzoekers van Tokyo Tech. Hun aan het oppervlak gemodificeerde, kleurstof-gesensibiliseerde nanosheet-katalysator vertoont een enorm potentieel, omdat het ongewenste terugelektronoverdracht kan onderdrukken en de watersplitsingsactiviteit tot honderd keer kan verbeteren.

Een van de eenvoudigste manieren waarop watermoleculen in waterstof kunnen worden gesplitst, is door fotokatalysatoren te gebruiken. Deze materialen, halfgeleiders die licht kunnen absorberen en tegelijkertijd watersplitsingsreacties kunnen uitvoeren, bieden een eenvoudige opzet voor de massaproductie van waterstof. Halfgeleiders kunnen een elektron-gatpaar genereren voor de watersplitsingsreactie; omdat de ladingsdragers echter de neiging hebben om te recombineren, is een "Z-schema" fotokatalytisch systeem ontwikkeld met twee halfgeleidermaterialen en een elektronenmediator om dit te onderdrukken.

In deze opstelling is de elektronenmediator, die typisch een omkeerbare elektronenacceptor/donorparen is (zoals I₃ ^- /I ^- ), accepteert elektronen van een van de fotokatalysatoren en doneert ze aan de andere. Dit scheidt de ladingsdragers tussen de halfgeleiders. Ondanks het elimineren van de ladingsrecombinatie in de halfgeleider, blijft de elektronen-accepterende soort (I₃ ^- ) concurreert met de waterstoffotokatalysator voor elektronen, wat resulteert in een slechte omzettingsefficiëntie van zonne-energie naar waterstof.

Om de waterstofproductie te verbeteren, heeft een team van internationale onderzoekers, waaronder speciaal aangestelde assistent-professor Shunta Nishioka en professor Kazuhiko Maeda van het Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech), gewerkt aan manieren om de onbedoelde elektronenoverdracht te voorkomen. Over het experimenteren met ruthenium (Ru) kleurstofgevoelige niobaatfotokatalysatoren (Ru/Pt/HCa₂ Nb₃ O₁₀ ), merkten de onderzoekers dat de waterstofproductie aanzienlijk toeneemt bij lage I₃ ^- concentraties. Deze bevindingen brachten hen ertoe een efficiënt watersplitsingssysteem te ontwikkelen dat bestaat uit een fotokatalysator voor zuurstofevolutie en een gemodificeerde Ru-kleurstof gesensibiliseerde niobaat nanosheet die functioneert als een betere fotokatalysator voor waterstofevolutie. "We hebben met succes de efficiëntie van een algeheel watersplitsingssysteem met Z-schema verbeterd door gebruik te maken van een aan het oppervlak gemodificeerde, met kleurstof gesensibiliseerde nanosheet-fotokatalysator", zegt prof. Maeda. De resultaten van hun onderzoek zijn gepubliceerd in het tijdschrift Science Advances .

Om de I₃ . te behouden ^- concentratie in het reactiesysteem laag, a PtO_x /H-Cs-WO₃ fotokatalysator wordt gebruikt als de zuurstofontwikkelingskatalysator. Tegelijkertijd, Al₂ O₃ en poly(styreensulfonaat) (PSS) wordt toegevoegd om de overdracht van elektronen van de halfgeleider naar het geoxideerde Ru-complex en het I₃ te onderdrukken ^- ion, respectievelijk. Dit ontwerp stelt meer elektronen in staat om deel te nemen aan de waterstofevolutiereactie, wat resulteert in het meest efficiënte Z-schema watersplitsingssysteem tot nu toe. "De oppervlaktemodificatie van de met kleurstof gesensibiliseerde nanosheet-fotokatalysator verbeterde de zonne-watersplitsingsactiviteit met bijna 100 keer, waardoor het vergelijkbaar is met conventionele op halfgeleiders gebaseerde fotokatalysatorsystemen", zegt prof. Maeda.

Met de achterwaartse elektronenoverdracht onderdrukt, zou de ontwikkelde fotokatalysator ook de waterstofproductie bij lage lichtniveaus kunnen handhaven, waardoor het een voorsprong heeft op andere fotokatalysatoren die hoge lichtintensiteiten vereisen. Bovendien hebben de onderzoekers, door de impact van de terug-elektronoverdrachtsreacties te minimaliseren, niet alleen een nieuwe maatstaf vastgesteld voor kleurstofgevoelige fotokatalysatoren voor Z-schema watersplitsing, maar hebben ze ook het raamwerk gelegd om andere kleurstofgevoelige systemen te verbeteren die worden gebruikt voor andere belangrijke reacties zoals CO₂ vermindering. + Verder verkennen

Water splitsen met bismutvanadaat