Un grupo de investigación dirigido por el profesor asociado TACHIKAWA Takashi del Centro de Investigación de Ciencia Científica Molecular de la Universidad de Kobe ha logrado desarrollar una estrategia que aumenta en gran medida la cantidad de hidrógeno producido a partir de la luz solar y el agua utilizando fotocatalizadores de hematita. * 1
El hidrógeno ha recibido atención como una posible solución energética de próxima generación, y se puede producir a partir de la luz solar y el agua usando fotocatalizadores. Además, para que esto sea factible, es necesario desarrollar tecnologías de base para optimizar el potencial de los fotocatalizadores, ademáspara encontrar nuevos materiales para catalizadores.
Esta vez, Tachikawa et al. Produjeron con éxito un fotoanodo con una conductividad extremadamente alta. Esto se logró únicamente mediante el recocido mesocristales de hematita * 2 * 3, superestructuras que consisten en pequeñas nanopartículas de aproximadamente 5 nm en un sustrato de electrodo transparenteLa hematita puede absorber una amplia gama de luz visible y es segura, estable y económica. Con este fotoanodo, los electrones y agujeros producidos por la fuente de luz se separaron rápidamente y, al mismo tiempo, una gran cantidad de agujeros densamente acumulados en elsuperficie de las partículas. La acumulación de agujeros mejoró la eficiencia de la reacción de oxidación del agua; la oxidación lenta del agua ha sido previamente un cuello de botella en la división del agua.
Además de aumentar la alta eficiencia de lo que se cree que es el fotoanodo de mayor rendimiento del mundo, esta estrategia también se aplicará a la fotosíntesis artificial y a las tecnologías de división de agua solar a través de colaboraciones entre la universidad y las industrias.
Estos resultados se publicarán en la revista alemana de química en línea ' Edición internacional Angewandte Chemie 'el 30 de abril. Este trabajo también apareció en la portada.
Puntos principales :
Antecedentes de investigación
Con el mundo enfrentando problemas ambientales y energéticos crecientes, el hidrógeno ha llamado la atención como una de las posibles fuentes de energía de la próxima generación. Idealmente, los fotocatalizadores podrían usarse para convertir el agua y la luz solar en hidrógeno. Sin embargo, una tasa de conversión de energía solar de más de 10% es necesario para permitir que dicho sistema se adopte industrialmente. Utilizando las fortalezas de Japón en el descubrimiento de nuevos materiales, es vital establecer una tecnología de base común que pueda desbloquear el potencial de los fotocatalizadores para lograr este objetivo.
Anteriormente, Tachikawa et al. Desarrollaron la 'tecnología de mesocristales', que implica alinear con precisión las nanopartículas en los fotocatalizadores para controlar el flujo de electrones y sus agujeros. Recientemente, aplicaron esta tecnología a la hematita a-Fe2O3 y lograron aumentar drásticamentela tasa de conversión
Esta vez, pudieron aumentar la tasa de conversión hasta el 42% de su límite teórico 16% al sintetizar pequeñas subunidades de nanopartículas en la hematita.
Metodología de investigación
tecnología Mesocrystal :
El principal problema que causa una disminución de la tasa de conversión en las reacciones fotocatalíticas es que los electrones y los agujeros producidos por la luz se recombinan antes de que puedan reaccionar con las moléculas en este caso, el agua en la superficie. Tachikawa et al. Crearon superestructuras de mesocristales de hematitacon nanopartículas altamente orientadas mediante síntesis solvotérmica * 7. Fueron capaces de desarrollar fotoanodos de mesocristales conductores para la división del agua mediante la acumulación y sinterización de mesocristales en el sustrato de electrodo transparente.
Formación y rendimiento de fotocatalizadores :
Los fotoanodos de mesocristales se produjeron recubriendo el sustrato del electrodo transparente con mesocristales de hematita que contenían titanio y luego recociéndolos a 700ºC. Se depositó un cocatalizador * 8 en la superficie de los mesocristales. Cuando los fotocatalizadores se colocaron en una solución alcalinae iluminada con luz solar artificial, la reacción de división del agua tuvo lugar a una densidad de fotocorriente de 5.5 mAcm-2 bajo un voltaje aplicado de 1.23 V. Este es el rendimiento más alto alcanzado en el mundo para la hematita, que es uno de los fotocatalizadores más ideales.debido a sus propiedades de bajo costo y de absorción de luz. Además, los fotoanodes de mesocristales de hematita funcionaron de manera estable durante experimentos repetidos en el transcurso de 100 horas.
La clave para lograr una alta tasa de conversión es el tamaño de las nanopartículas que forman la estructura de mesocristales. Es posible aumentar considerablemente la cantidad de vacantes de oxígeno que se forman durante el proceso de sinterización al hacer que las nanopartículas sean tan pequeñas como 5 nm yaumentando las interfaces de conexión entre las nanopartículas. Esto aumentó la densidad de electrones y aumentó significativamente la conductividad de los mesocristales.
La alta densidad de electrones está conectada a la formación de una curvatura de banda grande * 9 cerca de la superficie del mesocristal. Esto promueve la separación de carga inicial y facilita la acumulación de agujeros en la superficie. Este resultado se optimizó debidoa la pequeña estructura de nanopartículas de los mesocristales, y aumentó la reacción de oxidación del agua que había sido un cuello de botella para la división eficiente del agua.
Investigación adicional
Este estudio reveló que la tecnología de mesocristales puede minimizar significativamente el problema de recombinación, que es la causa principal de baja eficiencia en los fotocatalizadores, y acelerar exponencialmente la reacción de división del agua.
Se espera que esta estrategia también se pueda aplicar a otros óxidos metálicos. A continuación, los investigadores colaborarán con las industrias para optimizar los fotocodos de mesocristales de hematita e implementar un sistema industrial para producir hidrógeno a partir de luz solar. Al mismo tiempo, elLa estrategia desarrollada por este estudio se aplicará a diversas reacciones, incluida la fotosíntesis artificial.
Glosario
1. Fotocatalizador: un material que se puede utilizar como catalizador para reacciones que involucran iluminación de luz. El fotocatalizador se aplica a un sustrato que absorbe la luz. Utilizado como electrodo, también se puede llamar un ánodo de fotocatalizador o un fotoanodo.En este estudio, se usó un fotocatalizador para la reacción para producir hidrógeno al dividir las moléculas de agua.
2. Hematita: un tipo de mineral de óxido de hierro. Además de ser seguro, económico y estable pH> 3, la hematita puede absorber una amplia gama de luz visible aprox. Por debajo de 600 nm. El límite teórico de su energía solarLa eficiencia de conversación energética es del 16% una densidad de fotocorriente de 13 mAcm-2.
3. Mesocristales: superestructuras de cristal poroso que consisten en nanopartículas que están altamente alineadas. Cientos de nanómetros o micrómetros pequeños, presentan poros entre las nanopartículas que están entre 2 y 50 nanómetros.
4. Fotosíntesis artificial: método para recrear artificialmente la fotosíntesis, que es cómo las plantas convierten la luz solar, el agua y el dióxido de carbono en carbohidratos y oxígeno. La fotosíntesis artificial también se puede utilizar para producir otros compuestos útiles.
5. Vacante de oxígeno: dentro de la estructura de mesocristales, hay espacios donde no hay oxígeno, estos se llaman vacantes de oxígeno Vo. En hematita, la creación de estas vacantes de oxígeno mejora la conductividad eléctrica porque Fe3 + se desoxigena, convirtiéndose en Fe2 + las moléculas de oxígeno se mueven para llenar las vacantes.
6. Eficiencia de conversión de energía de la luz: la cantidad de partículas de luz utilizadas en la reacción salida dividida por la cantidad de partículas de luz ingresadas. Esto se expresa como un porcentaje.
7. Método de Solvotermia: Un método para sintetizar sólidos usando solventes a altas temperaturas y altas presiones.
8. Co-catalizador: una sustancia utilizada junto con el fotocatalizador para impulsar la reacción catalítica. En este estudio, el ión fosfato de cobalto Co-Pi se utilizó como cocatalizador para aumentar la producción de oxígeno.
9. Banda: la banda conductora y la banda de valencia son bandas que los electrones y sus agujeros pueden ocupar. En los semiconductores, hay un pequeño intervalo de banda entre la banda de valencia y la banda de conducción, lo que permite que un número razonable de electrones de valencia se mueva hacia la conducción.banda cuando se aplica una cierta cantidad de energía. Cuando la densidad de electrones en la banda de conducción aumenta, se mueven hacia la superficie, formando una curva ascendente
10. Fotoconductivo AFM Microscopio de fuerza atómica: permite el análisis a nanoescala de las características eléctricas de un material. En el estudio actual, esto se utilizó para medir la corriente de partículas de mesocristales individuales iluminándolas con una luz LED de longitud de onda de 405 nm.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Kobe . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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