Het fotokatalytische watersplitsingsproces is aantrekkelijk voor wetenschappers als een oplossing voor zowel energie- als milieuproblemen. Hierbij wordt water met behulp van lichtenergie en een katalysator gesplitst in zuurstof en waterstof. Naarmate het probleem van de opwarming van de aarde is toegenomen, hebben onderzoekers gekeken naar waterstof, een schoon brandende brandstof, als een oplossing voor hernieuwbare energie. Omdat water zo'n goedkope hulpbron is, is er de afgelopen decennia enorm veel energie gestoken in dit veelbelovende onderzoeksveld. Maar wetenschappers hebben slechts enkele fotokatalysatoren kunnen ontdekken met zowel een hoog rendement als een uitstekende stabiliteit. Dus de fotokatalytische watersplitsingstechnologie heeft nog een lange weg te gaan voordat praktische toepassing mogelijk is.

Een onderzoeksteam van de Xi'an Jiaotong University in China heeft veelbelovende resultaten bereikt met behulp van een anorganische verbinding genaamd bismutvanadaat (BiVO₄ ) kristallen als fotokatalysator om efficiënte fotokatalytische watersplitsing te bereiken. Hun werk toont de nauwe relatie tussen de oppervlakte-eigenschappen van de BiVO₄ en de bereikte fotokatalytische activiteit. De bevindingen van het team zijn gepubliceerd in het tijdschrift Nano Research .

Om het watersplitsingsproces efficiënt te laten zijn, is scheiding van het elektron-gatpaar en hun verbruik door wateroxidatie of waterreductiereacties die plaatsvinden op het oppervlak essentieel. Het elektronengat is een ladingsdrager die verantwoordelijk is voor het creëren van elektrische stroom in halfgeleidende materialen. Ladingsdrager verwijst naar een deeltje dat vrij in een materiaal beweegt en een elektrische lading draagt.

De afgelopen jaren hebben wetenschappers uitstekende prestaties geleverd door specifieke facetten als verrijkte reactieplaatsen op de fotokatalysatoren bloot te leggen. Onderzoekers hebben ontdekt dat titaniumdioxide en strontiumtitanaat, met hun blootgestelde facetten, uitstekende prestaties leveren. Deze kennis gaf wetenschappers aanwijzingen dat een efficiënt fotokatalytisch proces kan worden bereikt door het oppervlak van een fotokatalysator met verschillende functies af te stemmen.

In verder onderzoek meldden wetenschappers dat BiVO₄ nanosheets met blootgestelde facetten vertoonden uitstekende prestaties voor wateroxidatie. Onderzoek suggereerde dat als de BiVO₄ facetten werden vergroot, kon superieure fotokatalytische activiteit voor wateroxidatie worden bereikt.

Het onderzoeksteam van de Xi'an Jiaotong University richtte hun aandacht op BiVO₄ als model fotokatalysator. Ze bestudeerden de cruciale rol van het verbruik van oppervlakteladingsdragers op de watersplitsingsreacties. Het team heeft BiVO₄ . gefabriceerd eenkristallen met een op maat gemaakte verhouding van facetten voor de reductieve plaatsen en de oxidatieve plaatsen. Ze gebruikten een eenvoudige gecontroleerde hydrothermische methode om de BiVO₄ . te synthetiseren kristal. Door dit proces toonden ze aan dat efficiënte fotokatalytische wateroxidatie kon worden bereikt door een uitgebalanceerd verbruik van oppervlakteladingsdragers dat is gebaseerd op een gemiddelde verhouding van de reductieve en de oxidatieve locaties.

BiVO₄ gebruiken alleen als een typische fotokatalysator voor wateroxidatie bereikt geen algehele watersplitsing. Dus zetten de onderzoekers hun studie voort en construeerden ze een Z-schemasysteem, waarbij twee verschillende fotokatalysatoren worden gecombineerd. De BiVO₄ . gebruiken met geschikte cokatalysatoren bereikte het team een ​​efficiënte en stabiele fotokatalytische algehele watersplitsing.

"Superieure fotokatalytische wateroxidatie wordt verkregen uit BiVO₄ decaëders met een gemiddelde verhouding tussen reductieve en oxidatieve sites, wat wordt toegeschreven aan het bereikte evenwichtige verbruik van oppervlakkige ladingsdragers", zegt Shaohua Shen, een professor in het International Research Center for Renewable Energy aan de Xi'an Jiaotong University. "In bovendien wordt een efficiënte en stabiele fotokatalytische algehele watersplitsing bereikt door gebruik te maken van de gesynthetiseerde BiVO₄ decaëders met geschikte cokatalysatormodificatie," zei Shen.

"Vooruitkijkend biedt dit werk zowel richtlijnen voor de fabricage van nano-/micromateriaal met een controleerbare oppervlaktemorfologie als voor inzichtelijke onderzoeken van de overeenkomstige fotokatalytische redoxreactie," zei Shen. + Verder verkennen

Brede, op licht reagerende fotokatalysator stimuleert de splitsing van water door zonne-energie