Un grupo de investigación dirigido por el profesor asociado Takashi Tachikawa del Centro de Investigación de Ciencia Científica Molecular de la Universidad de Kobe ha logrado desarrollar fotocatalizadores que pueden convertir un nivel eficiente de hidrógeno del agua utilizando luz solar. Se espera que métodos como este, que utiliza titanio,los fotoanodes modificados a base de mesocristales de hematita podrían formar la base para un sistema comercial de división de agua solar. Esto permitiría que el combustible limpio de hidrógeno se produzca de manera más barata y fácil que antes, lo que lo convierte en una fuente viable de energía renovable.
Este fue un proyecto de investigación conjunto con el Instituto de Materiales y Sistemas para la Sostenibilidad de la Universidad de Nagoya Profesor Shunsuke Muto y el Instituto de Investigación de Radiación Sincrotrón de Japón JASRI Investigadores principales Koji Ohara y Kunihisa Sugimoto.
Los resultados de este estudio se publicaron por primera vez en la revista en línea Comunicaciones de la naturaleza el 23 de octubre de 2019.
fondo
A medida que aumentan los problemas ambientales y energéticos, el hidrógeno ha recibido más atención como una posible fuente de energía limpia en el futuro. La división del agua fotoelectroquímica PEC también conocida como división del agua solar se ha propuesto como una forma renovable de producir hidrógeno.En teoría, es un método simple que requiere un fotocatalizador y luz solar para obtener hidrógeno del agua. Los sistemas de división de agua PEC a escala industrial reducirían el precio comercial del hidrógeno, convirtiéndolo en una fuente práctica de energía.
Sin embargo, para hacer que la división de agua PEC sea un método viable para producir hidrógeno a gran escala, la eficiencia de conversión de luz a energía necesita ser mejorada. Cuando el fotocatalizador se expone a la luz, electrones y agujeros hechos por elelectrones se forman en la superficie del fotocatalizador. Estas cargas se disocian para producir hidrógeno y oxígeno a partir de moléculas de agua. Aunque se han llevado a cabo experimentos con muchos fotocatalizadores diferentes, un problema recurrente es que los electrones y los agujeros se recombinan en la superficie del catalizador,reducir la eficiencia de conversión. Otros problemas incluyen la durabilidad y el costo del catalizador.
Para controlar la dinámica de los electrones y los agujeros a través de la alineación precisa de las nanopartículas, el profesor asociado Tachikawa et al. Desarrollaron un método que utiliza 'fotoanodos basados en mesocristales de hematita' como fotocatalizador. Tuvieron éxito en producir una conversión de luz a energía altamente eficiente.Los mesocristales son superestructuras de nanopartículas con estructuras altamente ordenadas. Esto los hace eficientes para la separación de cargas y el transporte. Además, la hematita es un mineral natural abundante, lo que lo convierte en un método potencialmente de bajo costo.
Metodología de investigación
Photoanodes basados en mesocristales :
Los mesocristales con nanopartículas altamente ordenadas se hicieron a través de síntesis solvotermal un método de producción de compuestos químicos usando alta presión y temperatura. Luego se usaron para desarrollar el fotoanodo basado en mesocristales. Esta exposición a altas temperaturas formó vacantes de oxígeno, Vo pequeñoespacios deficientes de oxígeno dentro de los mesocristales debido a la fusión parcial de la interfaz entre los nanocristales. Esto aumentó la densidad portadora de los mesocristales, mejorando así su conductividad. Los exámenes de la composición y estructura de los mesocristales también revelaron poros en la superficie delas partículas. Estos mesoporos y aditamentos de partículas parecen ayudar a la absorción de luz y la movilidad de carga, respectivamente.
Como se mencionó anteriormente, uno de los principales problemas con la división del agua PEC es que los electrones y los agujeros se recombinan antes de que la reacción de división del agua la separación del oxígeno y el hidrógeno en la molécula de agua pueda tener lugar de manera eficiente. Se sugirió que el electrónlos pares de agujeros generados cerca del Vo tienen vidas más largas. Esto facilitaría que los agujeros escapen de la recombinación con los electrones fotogenerados, mejorando el rendimiento de conversión.
hematita modificada con titanio :
Los fotoanodes se construyeron utilizando mesocristales de hematita modificada con titanio Ti-Fe2O3. La modificación de Ti se llevó a cabo con el objetivo de aumentar la conductividad y la facilidad de separación de la carga.
Se estableció un método de división de agua solar. Los fotoanodos de hematita modificados con Ti se colocaron en una solución de agua alcalina bajo iluminación con luz solar simulada. Se usa un electrodo de platino Pt como el cátodo. Las moléculas de oxígeno se generan a partir del mesocristalbasado en fotoanodo y las moléculas de hidrógeno se producen a partir del contraelectrodo Pt.
A continuación, se realizaron pruebas para determinar la densidad de la fotocorriente de los fotoanodes. Una fotocorriente es una corriente inversa que resulta de los electrones y agujeros que viajan hacia el cátodo y el ánodo respectivamente. Una densidad de fotocorriente alta indicaría una fuerte eficiencia de conversión de la luz solaral hidrógeno a través de la división del agua PEC.
Las densidades de fotocorriente de los fotoanodos de hematita modificados con Ti con diferentes espesores de película se compararon en dos modos de iluminación. Se descubrió que la retroiluminación donde la superficie de la hematita se ilumina a través del vidrio FTO generaba más corriente en todas las muestras que en el frenteiluminación donde la luz tiene que pasar a través del electrolito antes de llegar a la hematita. Se demostró que el espesor de película más eficiente era de 900 nm. Se demostró que estos fotoanodos tenían una densidad de fotocorriente de 2.5 mAcm-2 a un potencial de 1.23v.
Este método, utilizando la retroiluminación, también resuelve el problema de la dispersión de la luz causada por las burbujas de gas desprendidas. La dispersión de la luz es otro problema que puede reducir la eficiencia de conversión. También se encontró que agregar un Co-Pi ion fosfato de cobaltoEl cocatalizador de la superficie de los fotoanodes mejoró aún más la densidad de la fotocorriente a 3.5 mAcm-2. Esta densidad de fotocorriente es la más alta lograda hasta ahora usando hematita como material del fotocatalizador bajo iluminación de fondo.
Durante la división del agua solar, los gases evolucionados H 2 y O 2 se produjeron durante un período de tiempo de tres horas en una relación estequiométrica de 2: 1. Además, los fotoanodes no exhibieron ninguna disminución obvia en la corriente durante un período de 24 horas, lo que sugiere estabilidad en condiciones de funcionamiento prolongadas.
Conclusiones :
Esta investigación demostró que los fotoanodes de mesocristales de hematita modificados con Ti demuestran una alta eficiencia de generación de hidrógeno del agua bajo retroiluminación. Los análisis realizados durante el curso de este estudio sugieren que estos fotoanodos con Vo y mesoporos tienen propiedades que los hacen muy adecuadosa la división del agua solar, incluida la absorción eficiente de la luz, los orificios de larga duración y la movilidad de carga superior. Sin embargo, todavía quedan algunos problemas de recombinación en la película. El rendimiento podría mejorarse aún más mediante el tratamiento de la superficie.
Más colaboraciones académicas y de investigación de la industria en la mejora de la tasa de conversión y la idoneidad de otros tipos de fotoanodos de mesocristales podrían conducir a la pronta realización de un sistema comercial de división de agua PEC.
Glosario :
El vidrio FTO óxido de estaño dopado con flúor es una película de vidrio delgada duradera y eléctricamente conductora.
STEM Microscopía electrónica de barrido de transmisión: un tipo de TEM Microscopio electrónico de transmisión que puede enfocarse en un área microscópica para crear imágenes
EELS espectroscopía de pérdida de energía de electrones: un material está expuesto a un haz de electrones con un rango estrecho conocido de energías cinéticas. La reacción de estos electrones es útil para detectar los componentes elementales de un material. En combinación con STEM,esto se puede usar para mapear una muestra a resolución atómica.
HAADF-STEM Microscopía de transmisión de escaneo anular de campo oscuro anular de alto ángulo: método de imagen que permite observar de manera brillante los átomos pesados.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Kobe . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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