In een artikel in het tijdschrift Energie- en milieuwetenschappen , onderzoekers van de Universiteit van Uppsala, Zweden, een soort goedkoop en milieuvriendelijk organisch polymeer nanomateriaal presenteren als fotokatalysatoren voor het genereren van waterstof, en het werkingsmechanisme van de fotokatalytische reactieve site voorstellen.

De ontwikkeling van fotokatalysatoren voor door licht aangedreven waterstofopwekking uit water is een ideale manier om zonne-energie om te zetten en op te slaan. Door de beperkte lichtabsorptie, hoge kosten en potentiële metaalvervuilende stoffen van anorganische katalysatoren, wetenschappers zijn op zoek gegaan naar een biologisch alternatief. In dit werk, de onderzoekers van Uppsala hebben organische polymeren bestudeerd als fotokatalysatoren (door licht aangedreven katalysatoren). Het knelpunt van alle bestaande organische fotokatalysatoren is dat ze hydrofoob (in water onoplosbaar), waardoor het moeilijk wordt voor protonen om in de poriën van de materialen te dringen en om te interageren met reactieve plaatsen. Bijgevolg, de prestaties van fotokatalyse op basis van die materialen liggen nog steeds achter bij die van de traditionele op metaal gebaseerde anorganische fotokatalysatoren. Wetenschappers moeten veel organisch oplosmiddel in de reactor toevoegen om een ​​goede doseerbaarheid van organische polymere fotokatalysator te maken.

Door een zogenaamde nanoschaalprecipitatiemethode te gebruiken om de organische polymere fotokatalysator in kleine nanoschaaldeeltjes (Pdots) te bereiden, kan de organische fotokatalysator mooi gedispergeerd worden in een waterige oplossing. "Met behulp van hydrofiel copolymeer, we zijn in staat om protonkanalen in de Pdot-fotokatalysator te voorzien om het natuurlijke fotosynthesesysteem na te bootsen. Dit kan de prestaties van waterstofopwekking drastisch verbeteren", zegt Haining Tian, Docent van de afdeling Chemie - Ångström Laboratory. Zijn onderzoeksgroep publiceerde vorig jaar het proof-of-concept-werk (in Angew. Chem. Int. Ed., 2016, 55(40), 12306). Om meer over het systeem te begrijpen en het verder te verbeteren, Haining Tian heeft samen met zijn onderzoekscollega C. Moyses Araujo van het Department of Physics-Ångström Laboratory het werk geleid om de reactieve plaatsen in de Pdot-fotokatalysatoren en het fotokatalytische werkingsmechanisme uit te graven.

Door de structuur van polymeren af ​​te stemmen en verschillende fotokatalytische mechanismen te evalueren, de onderzoekers konden de reactieve plaatsen bij de elektronenacceptoreenheden ongeveer vinden en concludeerden dat de heteroatomen een cruciale rol zouden spelen bij de fotokatalyse. "Het is moeilijk om experimenteel nauwkeurige informatie te krijgen over welk heteroatoom, ofwel N of S, is de reactieve plaats in de elektronenacceptoreenheid", zegt Haining Tian. Met behulp van een computationeel onderzoek op basis van de theorie van de eerste beginselen, de wetenschappers richtten zich uiteindelijk op de echte reactieve site in Pdots-fotokatalysatoren - de N-atomen - en concludeerden ook dat de unieke Pdots-structuur gunstig is voor de protonreductiereactie. "Waterstofbinding gevormd tussen twee polymeren in Pdot-fotokatalysatoren verlaagt de energiebarrière van protonreductiereactie aanzienlijk. De Pdots is inderdaad een soort ideale fotokatalysator", zegt C. Moyses Araujo.

Op basis van dit werk is de wetenschappers streven nu naar een efficiëntere en stabielere Pdots-katalysator door de polymeerstructuur redelijk af te stemmen voor door licht aangedreven waterstofgeneratie.