Высокоэффективное производство водорода с помощью солнечного света, воды и гематит

Исследовательская группа, возглавляемая доцентом Тачикава Такаши молекулярно-исследовательский центр Photoscience Университета Кобе удалось разработать стратегию, которая значительно увеличивает количество получаемого водорода из солнечного света и воды с использованием фотокатализаторов гематит.(*1)

Водород получил внимание как можно дальше энергии решение нового поколения, и его можно производить из солнечного света и воды с использованием фотокатализаторов. Для того, чтобы сделать это возможным, надо развивать технологии основой для оптимизации потенциала фотокатализаторов, в дополнение к поиску новых материалов для катализаторов.

На этот раз, Татикава и соавт. успешно изготовили фотоанодом с чрезвычайно высокой электропроводностью. Это было достигнуто исключительно за счет отжига гематит (*2) mesocrystals (*3, пролетных строений, состоящий из крошечных наночастиц приблизительно. 5 нм) на прозрачный электрод подложки. Гематит может поглощать широкий спектр видимого света и является безопасным, стабильным и недорогим. С этой фотоанодом, электроны и отверстия, полученные с помощью источника света отделяется быстро и, в то же время, большое количество отверстий плотно скопились на поверхности частиц. Накопление дырок повысить эффективность окисление водой реакции; медленное окисление воды уже была узким местом в воде-расщепление.

В дополнение к повышению высокой эффективности считается, что наиболее эффективные фотоанодом в мире, эта стратегия также применяется для искусственного фотосинтеза и воды с помощью солнечной энергии-расщепление технологий через сотрудничество между университетом и промышленностью.

Эти результаты будут опубликованы в немецком онлайн-журнале Химия-Прикладная химия Международная Редакция’ на 30 апреля. Эта работа была представлена на внутренней стороне обложки.

Основные пункты:

• Множество вакансий кислорода (*5) были сформированы внутри mesocrystals гематит, накапливая и спекания крошечные высоко ориентированных наночастиц менее 10 нм.
• Наличие вакансий кислорода улучшается проводимость фотокаталитический электрода, одновременно придавая ему значительную поверхность градиент потенциала, тем самым способствуя разделению электронов и дырок.
• В то же время большое количество отверстий перемещается к поверхности частиц, что обеспечивает высокую скорость выделения кислорода из воды. Это позволило исследователям достичь самых высоких в мире солнечной воды-расщепление производительности для анодов гематит.
• Эта стратегия может быть применена к широкому кругу фотокатализаторов, начиная с воды с помощью солнечной энергии-расщепления.

Исследования Фон

С миру сталкиваются со все более экологические и энергетические проблемы, водорода привлекает внимание как один из возможных источников энергии следующего поколения. В идеале, фотокатализаторы могут быть использованы для преобразования воды и солнечного света на водород. Тем не менее, солнечная скорость преобразования энергии более чем на 10% необходимо для того, чтобы такая система была принята в промышленных масштабах. Используя сильные стороны Японии в новое открытие материалами, очень важно создать общую технологическую платформу, которая сможет раскрыть потенциал фотокатализаторов для достижения этой цели.

Раньше Тачикава и соавт. разработана технология mesocrystal’, который предполагает точного выравнивания наночастиц в фотокатализаторы для управления потоком электронов и дырок. Недавно они применили эту технологию для гематита (а-Fе2о3), и удалось резко возрастает коэффициент конверсии.

В этот раз им удалось поднять конверсию до 42% своего теоретического предела (16%), синтезируя крошечные наночастицы субъединиц в гематит.

Методология исследования

Технология Mesocrystal:

Основная проблема, которая приводит к снижению скорости преобразования в фотокаталитических реакциях заключается в том, что электроны и дырки рекомбинируют произведено на свет, прежде чем они могут реагировать с молекулами (в данном случае воды) на поверхности. Тачикава и соавт. создан mesocrystal гематит надстроек с высоко ориентированных наночастиц через синтез solvothermal (*7). Они смогли создать токопроводящий mesocrystal фотоанодов для расщепления воды посредством накопления и спекания mesocrystals на прозрачной подложке электрода.

Формирование фотокаталитический и производительности:

Mesocrystal фотоанодов были произведены покрытие прозрачный электрод подложки с mesocrystals гематита, содержащего Титан и после отжига их при 700ºC. Со-катализатор (*8) наносили на поверхность mesocrystals. Когда фотокатализаторов были помещены в щелочном растворе и освещаться искусственным солнечным светом, вода-расщепление реакция проходила в фототок, плотность 5.5 МАСМ-2 под действием приложенного напряжения в 1,23 В. Это самые высокие показатели, достигнутые в мире в гематит, который является одним из самых идеальных фотокаталитический материалами, за счет его низкой стоимости и поглощения света свойства. Кроме того, mesocrystal гематит фотоанодов функционирует стабильно в ходе многократных экспериментов на протяжении 100 часов.

Ключом к достижению высокой конверсией-это размер наночастиц, которые составляют структуру mesocrystal. Можно значительно увеличить количество кислородных вакансий, образующихся в процессе спекания путем внесения наночастиц размером от 5 нм и увеличение соединительной взаимодействия между наночастицами. Это позволило повысить плотность электронов, и значительно повышается проводимость mesocrystals.

Высокая плотность электронов связан с образованием большого изгиба (*9) рядом с mesocrystal поверхности. Этому способствует начальное разделение зарядов, а также делает его легче для отверстий скапливаются на поверхности. Этот результат был оптимизирован из-за крошечных структуру наночастиц из mesocrystals, усиливает окисление водой реакции, которые были «узким местом» для эффективного расщепляющего воду.

Дальнейшие Исследования

Это исследование показало, что технология mesocrystal способен значительно минимизировать проблему рекомбинации, что является основной причиной низкой эффективности фотокатализаторов, и экспоненциально ускорить расщепление воды реакции.

Предполагается, что эта стратегия может быть применена для других оксидов металлов, а также. Далее ученые будут сотрудничать с промышленными предприятиями для оптимизации mesocrystal фотоанодов гематита и внедрить промышленную систему для получения водорода из солнечного света. В то же время, стратегия, разработанная в данном исследовании будет применяться к различным реакциям, в том числе искусственного фотосинтеза.

Глоссарий

1. Фотокаталитический: материал, который может быть использован в качестве катализатора для реакций, включающих освещение. Фотокатализатор наносится на подложку, которая поглощает свет. Используется в качестве электрода, его также можно назвать фотокаталитический анод или фотоанод. В этом исследовании, фотокатализатор был использован для реакции для получения водорода путем расщепления молекул воды.

2. Гематит тип железной руды оксида. Помимо того, что безопасный, недорогой и стабильный (рН > 3), гематит может поглощать широкий спектр видимого света (прибл. под 600Нм). Теоретический предел эффективности солнечных энергетических разговора составляет 16% (плотность фототока от 13mAcm-2).

3. Mesocrystal: пористый Кристалл пролетных строений, состоящих из наночастиц, которые сильно выровнены. Сотни нанометров и микрометров небольшой, они имеют поры между наночастицами, которые являются от 2 до 50 нанометров.

4. Искусственный фотосинтез: способ искусственно воссоздать фотосинтез, как растения превращают солнечный свет, воду и углекислый газ в углеводы и кислород. Искусственный фотосинтез может также использоваться для производства других полезных соединений.

5. Вакансий кислорода в структуре mesocrystal, есть места, где нет кислорода, они называются кислородными вакансиями (во). В гематит, создание этих вакансий кислорода повышает электропроводность от FE3+ является венозная, став ионов Fe2+ (молекулы кислорода движутся для заполнения вакансий).

6. Светлая эффективность преобразования энергии: количество частиц света, используемого в реакции (выходного), деленная на количество вводимых частиц света. Это выражается в процентах.

7. Способ Solvothermal: метод синтеза твердых веществ с помощью растворителей при высоких температурах и высоких давлениях.

8. Сотрудничество-катализатор: вещество, используемое наряду с фотокатализатором для повышения каталитической реакции. В этом исследовании, кобальт фосфат иона (ХХХХ) был использован в качестве катализатора для увеличения производства кислорода.

9. Группа: ща группы и валентной полосы, что электроны и дырки могут занимать. В полупроводниках, есть небольшой шириной запрещенной зоны между валентной зоной и зоной проводимости, позволяя себе разумное количество валентных электронов, чтобы перейти в зону проводимости при нанесении определенного количества энергии. Когда плотность электронов в проводимость увеличивается группа, они движутся по направлению к поверхности, образуя вертикальную кривую.

10. Фотопроводящий АСМ (атомно-силовой микроскоп): позволяет наноразмерных анализ электрических характеристик материала. В текущем исследовании, это было использовано для того чтобы измерить ток отдельных частиц mesocrystal при освещении их 405nm волны света Сид.

сделать разницу: спонсорские возможности