Hành trình Khoa học, Không gian và Thời gian!
Hydrogen là một giải pháp năng lượng thế hệ tiếp theo và nó có thể được sản xuất từ ánh sáng mặt trời và nước bằng cách sử dụng các chất xúc tác quang hóa. Một nhóm nghiên cứu hiện đã phát triển một chiến lược làm tăng đáng kể lượng hydro được sản xuất bằng cách sử dụng xúc tác quang xúc tác. Ngoài việc tăng cường hiệu quả cao của những gì được cho là quang điện tử hiệu suất cao nhất thế giới, chiến lược này sẽ được áp dụng cho công nghệ quang hợp nhân tạo và tách nước mặt trời thông qua sự hợp tác giữa các trường đại học.
Một nhóm nghiên cứu do Phó giáo sư TACHIKAWA Takashi thuộc Trung tâm nghiên cứu quang học phân tử của Đại học Kobe đã thành công trong việc phát triển một chiến lược làm tăng đáng kể lượng hydro sản xuất từ ánh sáng mặt trời và nước bằng cách sử dụng xúc tác quang xúc tác. (* 1)
Hydrogen đã nhận được sự chú ý như là một giải pháp năng lượng thế hệ tiếp theo và nó có thể được sản xuất từ ánh sáng mặt trời và nước bằng cách sử dụng xúc tác quang. Để thực hiện điều này, cần phải phát triển các công nghệ nền tảng để tối ưu hóa tiềm năng của các chất xúc tác quang, bên cạnh việc tìm kiếm các vật liệu mới cho các chất xúc tác.
Lần này, Tachikawa et al. sản xuất thành công một photoanode với độ dẫn cực cao. Điều này đạt được chỉ bằng cách ủ các tinh thể hematit (* 2) (* 3, cấu trúc thượng tầng bao gồm các hạt nano nhỏ khoảng 5nm) vào đế điện cực trong suốt. Hematite có thể hấp thụ nhiều loại ánh sáng nhìn thấy và an toàn, ổn định và không tốn kém. Với photoanode này, các electron và lỗ trống do nguồn sáng tạo ra tách ra nhanh chóng, đồng thời một số lượng lớn lỗ trống tích tụ dày đặc trên bề mặt của các hạt. Sự tích tụ của các lỗ đã cải thiện hiệu quả của phản ứng oxy hóa nước; quá trình oxy hóa chậm của nước trước đây là một nút cổ chai trong quá trình tách nước.
Ngoài việc tăng cường hiệu quả cao của thứ được cho là hiệu suất quang điện cao nhất thế giới, chiến lược này cũng sẽ được áp dụng cho công nghệ quang hợp nhân tạo và tách nước mặt trời thông qua sự hợp tác giữa trường đại học và các ngành công nghiệp.
Những kết quả này sẽ được công bố trên tạp chí hóa học trực tuyến của Đức ‘ Angewandte Chemie International Edition ‘ vào ngày 30 tháng Tư. Công trình này cũng được giới thiệu trong trang bìa.
Ý chính:
Bối cảnh nghiên cứu
Với việc thế giới đối mặt với các vấn đề môi trường và năng lượng ngày càng tăng, hydro đã thu hút được sự chú ý như là một trong những nguồn năng lượng thế hệ tiếp theo. Lý tưởng nhất là các chất xúc tác quang có thể được sử dụng để chuyển đổi nước và ánh sáng mặt trời thành hydro. Tuy nhiên, tỷ lệ chuyển đổi năng lượng mặt trời trên 10% là cần thiết để cho phép một hệ thống như vậy được áp dụng công nghiệp. Tận dụng thế mạnh của Nhật Bản trong khám phá vật liệu mới, điều quan trọng là phải thiết lập một công nghệ nền tảng chung có thể mở khóa tiềm năng của các chất xúc tác quang để đạt được mục tiêu này.
Trước đây, Tachikawa et al. đã phát triển “công nghệ tinh thể”, bao gồm việc sắp xếp chính xác các hạt nano trong các chất xúc tác quang để kiểm soát dòng điện tử và lỗ trống của chúng. Gần đây, họ đã áp dụng công nghệ này cho hematit (a-Fe2O3) và đã thành công trong việc tăng đáng kể tỷ lệ chuyển đổi.
Lần này, họ đã có thể tăng tỷ lệ chuyển đổi lên tới 42% giới hạn lý thuyết của nó (16%) bằng cách tổng hợp các tiểu đơn vị hạt nano nhỏ trong hematit.
Phương pháp nghiên cứu
Công nghệ siêu tinh thể:
Vấn đề chính gây ra sự suy giảm tốc độ chuyển đổi trong các phản ứng quang xúc tác là các electron và lỗ trống do tái tổ hợp ánh sáng trước khi chúng có thể phản ứng với các phân tử (trong trường hợp này là nước) trên bề mặt. Tachikawa et al. tạo ra các siêu cấu trúc hematit mesocstall với các hạt nano định hướng cao thông qua tổng hợp dung môi (* 7). Họ đã có thể phát triển các photan tinh thể dẫn điện để tách nước bằng cách tích lũy và thiêu kết các tinh thể trung mô lên đế điện cực trong suốt.
Sự hình thành và hiệu suất của chất xúc tác quang:
Các tế bào quang điện tử được tạo ra bằng cách phủ chất nền điện cực trong suốt bằng các tinh thể hematit chứa titan và sau đó ủ chúng ở 700ºC. Một chất đồng xúc tác (* 8) được lắng đọng trên bề mặt của các tinh thể trung mô. Khi các chất xúc tác quang được đặt trong dung dịch kiềm và được chiếu sáng bằng ánh sáng mặt trời nhân tạo, phản ứng tách nước diễn ra ở mật độ quang điện 5,5mAcm-2 dưới điện áp 1,23V. Đây là hiệu suất cao nhất đạt được trên thế giới đối với hematit, là một trong những vật liệu xúc tác quang lý tưởng nhất do cả hai đặc tính hấp thụ ánh sáng và chi phí thấp. Ngoài ra, các tế bào quang hợp hematit hematit hoạt động ổn định trong các thí nghiệm lặp đi lặp lại trong suốt 100 giờ.
Chìa khóa để đạt được tỷ lệ chuyển đổi cao là kích thước của các hạt nano tạo nên cấu trúc mesocstall. Có thể làm tăng đáng kể lượng trống ôxy hình thành trong quá trình thiêu kết bằng cách tạo ra các hạt nano nhỏ tới 5nm và tăng các giao diện kết nối giữa các hạt nano. Điều này làm tăng mật độ điện tử, và tăng đáng kể độ dẫn của các tinh thể trung mô.
Mật độ electron cao được kết nối với sự hình thành của một dải uốn cong lớn (* 9) gần bề mặt mesocstall. Điều này thúc đẩy sự phân tách điện tích ban đầu cũng như giúp các lỗ tích tụ trên bề mặt dễ dàng hơn. Kết quả này đã được tối ưu hóa do cấu trúc hạt nano nhỏ của các tinh thể trung mô và thúc đẩy phản ứng oxy hóa nước vốn là một nút cổ chai để tách nước hiệu quả.
Nghiên cứu thêm
Nghiên cứu này tiết lộ rằng công nghệ mesocstall có thể giảm thiểu đáng kể vấn đề tái hợp, đây là nguyên nhân chính gây ra hiệu quả thấp trong các chất xúc tác quang và tăng tốc theo cấp số nhân của phản ứng tách nước.
Hy vọng rằng chiến lược này cũng có thể được áp dụng cho các oxit kim loại khác. Tiếp theo, các nhà nghiên cứu sẽ hợp tác với các ngành công nghiệp để tối ưu hóa các tế bào quang hợp hematit và thực hiện một hệ thống công nghiệp để sản xuất hydro từ ánh sáng mặt trời. Đồng thời, chiến lược được phát triển bởi nghiên cứu này sẽ được áp dụng cho các phản ứng khác nhau, bao gồm cả quang hợp nhân tạo.
Bảng chú giải
1. Chất xúc tác quang: Một vật liệu có thể được sử dụng làm chất xúc tác cho các phản ứng liên quan đến chiếu sáng. Các chất xúc tác quang được áp dụng cho một chất nền hấp thụ ánh sáng. Được sử dụng như một điện cực, nó cũng có thể được gọi là cực dương quang xúc tác hoặc cực quang. Trong nghiên cứu này, một chất xúc tác quang đã được sử dụng cho phản ứng tạo ra hydro bằng cách tách các phân tử nước.
2. Hematite: Một loại quặng oxit sắt. Ngoài việc an toàn, rẻ tiền và ổn định (pH> 3), Hematite có thể hấp thụ một loạt ánh sáng khả kiến (khoảng dưới 600nm). Giới hạn lý thuyết về hiệu suất đàm thoại năng lượng mặt trời của nó là 16% (mật độ quang điện là 13mAcm-2).
3. Siêu tinh thể: Các cấu trúc siêu tinh thể xốp bao gồm các hạt nano có tính liên kết cao. Hàng trăm nanomet hoặc micromet nhỏ, chúng có lỗ chân lông giữa các hạt nano nằm trong khoảng từ 2 đến 50 nanomet.
4. Quang hợp nhân tạo: Phương pháp tái tạo quang hợp nhân tạo, đó là cách thực vật chuyển đổi ánh sáng mặt trời, nước và carbon dioxide thành carbohydrate và oxy. Quang hợp nhân tạo cũng có thể được sử dụng để sản xuất các hợp chất hữu ích khác.
5. Chỗ trống oxy: Bên trong cấu trúc mesocstall, có những khoảng trống không có oxy, chúng được gọi là chỗ trống oxy (Vo). Trong hematit, việc tạo ra các chỗ trống oxy này giúp tăng cường tính dẫn điện vì Fe3 + bị khử oxy, trở thành Fe2 + (các phân tử oxy di chuyển để lấp đầy chỗ trống).
6. Hiệu suất chuyển đổi năng lượng ánh sáng: Lượng hạt ánh sáng được sử dụng trong phản ứng (đầu ra) chia cho lượng hạt ánh sáng được đưa vào. Điều này được thể hiện dưới dạng phần trăm.
7. Phương pháp dung môi: Phương pháp tổng hợp chất rắn sử dụng dung môi ở nhiệt độ cao và áp suất cao.
8. Chất đồng xúc tác: Một chất được sử dụng cùng với chất xúc tác quang để tăng phản ứng xúc tác. Trong nghiên cứu này, ion Cobalt phosphate (Co-Pi) đã được sử dụng làm chất xúc tác để tăng cường sản xuất oxy.
9. Dải: Dải dẫn và dải hóa trị là các dải mà các electron và lỗ trống của chúng có thể chiếm giữ. Trong chất bán dẫn, có một dải nhỏ giữa dải hóa trị và dải dẫn, cho phép một số lượng điện tử hóa trị hợp lý di chuyển vào dải dẫn khi một lượng năng lượng nhất định được đưa vào. Khi mật độ electron trong dải dẫn tăng lên, chúng di chuyển về phía bề mặt, tạo thành một đường cong lên trên.
10. AFM quang điện tử (Kính hiển vi lực nguyên tử): cho phép phân tích kích thước nano của các đặc tính điện của vật liệu. Trong nghiên cứu hiện tại, phương pháp này được sử dụng để đo dòng điện của các hạt mesocstall riêng lẻ bằng cách chiếu sáng chúng bằng ánh sáng LED bước sóng 405nm.
Nguồn truyện:
Tài liệu được cung cấp bởi Đại học Kobe . Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa cho kiểu dáng và độ dài.
Tạp chí tham khảo :