De poedervormige fotokatalysator met nanodeeltjes bevat halfgeleiders die in waterlichamen kunnen uitlogen en de ecologische piramide kunnen beschadigen. Er zijn metaal-organische raamwerken voorgesteld om de nanodeeltjes van de legering te ondersteunen om metaalaggregatie tijdens de reactie te voorkomen en de katalytische activiteit te stimuleren.

Het team onder leiding van prof. Kajari Kargupta van het laboratorium voor nanotechniek en duurzame energie, afdeling Chemische Technologie, Jadavpur Universiteit, India, heeft nu een milieuvriendelijke, recyclebare 3D organische alginaathydrogel ontwikkeld, ingekapseld in een fotokatalysator van het kraaltype. Het onderzoek is gepubliceerd in het International Journal of Hydrogen Energy .

Dit soort 3D-metaal-organische raamwerkgebaseerde hydrogelfotokatalysatoren kunnen een constante snelheid van continue waterstof leveren. Het toxische effect van de halfgeleider wordt geminimaliseerd door inkapseling met het voedselveilige materiaal natriumalginaat.

Natriumalginaat is het geprefereerde biopolymeer voor de in fotokatalysator ingekapselde millibolletjes. Het wordt commercieel vervaardigd uit bruin zeewierextract. In de loop van de tijd hebben verschillende onderzoeksgroepen diverse metaal-polymeercomposieten gevormd vanwege de immobilisatie van de metaalionen tijdens het geleringsproces.

Een door druk aangedreven doorstroomsysteem dat zowel batchgewijs als continu werkt onder volledige zonnestraling werd onderzocht op verbeterde zonne-waterstofproductie uit water met behulp van een nieuwe 3D millisfeer van organische alginaten, in hydrogel ingekapselde fotokatalysator met een hoog waterretentievermogen. De voornaamste focus lag op de rol van de verbetering van de adsorptie van het watermolecuul op de actieve plaatsen van de fotokatalysator op de prestaties van de waterstofproductie op zonne-energie.

Vanuit functioneel perspectief verhoogt de toevoeging van natriumalginaat de activiteit van de fotokatalysator en het waterretentievermogen, waardoor het proces van continue waterstofgeneratie mogelijk wordt. Vanuit operationeel perspectief vergroot de aanwezigheid van alginaat de activiteit van de fotokatalysator en het waterretentievermogen, waardoor het proces van het voortdurend genereren van waterstof mogelijk wordt.

Elke bolvormige, kraalvormige, in alginaat ingekapselde fotokatalysator functioneert als een miniatuurwaterstofproducent of fotokatalytische reactor. De alginaathydrogels vertoonden ook uitstekende recycleerbaarheid en hergebruik. Hun synthetische herhaalbaarheid en lineaire schaalbaarheid worden bevestigd door het feit dat de totale hoeveelheid gegenereerde waterstof lineair stijgt met het aantal in de fotokatalysator ingekapselde korrels, terwijl de voor volume genormaliseerde snelheid constant blijft.

De mate van hydratatie – zowel pre- als dynamische wateradsorptie – heeft een sterke invloed op de snelheid waarmee waterstof wordt geproduceerd. Een stromingsreactor wordt gebruikt om waterstof met een constante snelheid te produceren; wanneer het inkomende debiet onder een kritische waarde daalt, blijft de productiesnelheid constant, wat aangeeft dat elke bolvormige katalysator functioneert als een kleine waterstofgenerator.

Prof. Kargupta heeft ervaring met het transformeren van prototypen op laboratoriumschaal in praktische commerciële toepassingen, en ons multidisciplinaire team beschikt over expertise op het gebied van waterstofopwekking door zonne-energie, de vervaardiging van elektrolytmembranen/elektroden in brandstofcellen en koolstofvastlegging. Het team probeert de capaciteit van de gegenereerde waterstof op te schalen voor het aandrijven van draagbare brandstofcellen in afgelegen gebieden.

De belangrijkste chemische stof die wordt gebruikt voor de inkapseling van de fotokatalysator is natriumalginaat, dat door de Amerikaanse Food and Drug Administration en de Europese Commissie wordt beschouwd als een materiaal van voedingskwaliteit (emulgator, stabilisator, verdikkingsmiddel en geleermiddel). De op alginaathydrogel gebaseerde fotokatalysator met een geschikte fotoreactor zal de komende twee jaar worden geassembleerd met hoge opslagcapaciteit en brandstofcellen. We zijn van plan samen te werken met industriële partners om deze hoogwaardige fotokatalysator op industriële schaal op te schalen.

Dit verhaal maakt deel uit van Science X Dialog, waar onderzoekers bevindingen uit hun gepubliceerde onderzoeksartikelen kunnen rapporteren. Bezoek deze pagina voor informatie over ScienceX Dialog en hoe u kunt deelnemen.

Meer informatie: Sayantanu Mandal et al., In organisch alginaat ingekapselde rGO-CdS millibolletjes voor opmerkelijke fotokatalytische waterstofproductie op zonne-energie, International Journal of Hydrogen Energy (2023). DOI:10.1016/j.ijhydene.2023.09.137

Prof. Kajari Kargupta, afdeling Chemische Technologie, Jadavpur University behaalde haar Ph.D. over "Instabiliteit en patroonvorming in dunne films:rol van heterogeniteit, verdamping en slippen" in 1998 van I.I.T. Kanpur. Ze heeft expertise op het gebied van dunne-filmsystemen, patroongeneratie, vorming van nanostructuren met verschillende morfologieën en hun toepassing. Ze heeft met succes verschillende projecten voltooid die zijn gesponsord door SERB DST, UGC, DBT en DRDO en heeft meer dan 100 peer-reviewed tijdschriftpublicaties op haar naam staan. Ze heeft ervaring met het formuleren van op grafeen gebaseerde bimetaal nano-hybride materialen met verschillende morfologieën en hun toepassing als katalysatoren, elektrokatalysatoren voor de opwekking van waterstof. Als onderdeel van een eerder door DST gesponsord project onderzocht ze de synthese en karakterisering van op grafeen gebaseerde bimetaal nano-hybride katalysatoren voor de productie van waterstof uit natriumboorhydride en boorhydride-elektro-oxidatie; Gebaseerd op het in kaart brengen van samenstelling-morfologie-prestaties is een nieuwe, op rGO gebaseerde, verbonden kernschil G-Co-Pt nano-hybride katalysatoren die uitstekende elektronentransporteigenschappen vertonen onderzocht voor het genereren van waterstof, evenals een ORR-katalysator om de Pt-belasting te verminderen. Dr. Kargupta heeft ervaring met de synthese en karakterisering van elektrokatalysatoren voor elektro-oxidatie, zuurstofreductiereacties en brandstofceltoepassingen. Ze heeft de fotokatalytische en foto-elektrokatalytische waterstofopwekking door middel van watersplitsing onderzocht; Het doel hiervan is om de belangrijkste procesknelpunten aan te pakken en de efficiëntie van zonne-energie naar waterstof te verbeteren. Op basis van zowel experimentele als kwantumsimulatie wordt de rol van nano-hybride katalysatoren/fotokatalysatoren en foto-elektrokatalysatoren geanalyseerd en onderzocht. Eerder onderzocht Prof. Kargupta, als onderdeel van het grote UGC-project, verschillende anorganische-organische nanocomposietmembraanelektrolyten, evenals draagbare, duurzame en protongeleidende elektrolyten van het geltype, vooral voor de draagbare toepassing van brandstofcellen. Prof. Kargupta heeft ervaring met het omgaan met 10 gesponsorde projecten als PI en Co-PI. Ze heeft ook samengewerkt met NMRL en DRDO aan een missieproject gerelateerd aan brandstofceltoepassingen als onderzoeksdienstverlener.

De heer Sayantanu Mandal voltooit momenteel zijn Ph.D. bij de afdeling Chemische Technologie, Jadavpur Universiteit, onder supervisie van Prof. Kajari Kargupta. De afgelopen drie jaar heeft hij zich beziggehouden met het opwekken van waterstof en de fabricage van een elektrolytisch membraan voor brandstofcellen op hoge temperatuur. Momenteel is hij ook PI van een project onder de Indiase Science Technology Engineering-faciliteitenkaart onder de Govt of India (I-STEM) met zijn gids Prof. Kajari Kargupta (I-STEM/Catalyticgrant/acad_24/2022-23). Hij is ook een permanent lid van enkele van de prestigieuze wetenschappelijke mondiale organisaties zoals de International Association of Engineers (IAENG) en de International Academy of Science and Engineering for Development (IASED), Hongkong. Ook zit hij als peer-reviewer in de technische commissie van de Technische Commissie van MEAMT 2023, NanoMT 2023 en ICFMCE 2023.

Journaalinformatie: International Journal of Hydrogen Energy