La producción de hidrógeno verde a partir de la división solar del agua ha atraído un gran interés en los últimos años porque el hidrógeno es un combustible de alta densidad energética. Un equipo de investigación codirigido por académicos de la City University of Hong Kong CityU y Alemania descubrió elefecto de confinamiento cuántico en un fotocatalizador de una estructura macroporosa ordenada en 3D. Se descubrió que el efecto de confinamiento cuántico permite la producción de hidrógeno bajo luz visible. Los hallazgos ofrecen una opción para abordar los desafíos energéticos y ambientales.
La investigación fue codirigida por el Dr. Ng Yun Hau, profesor asociado de la Escuela de Energía y Medio Ambiente SEE de CityU, e investigadores de Alemania. Sus hallazgos fueron publicados en la revista científica Letras de energía ACS , titulado "Revelación de la dinámica del portador en BiVO poroso periódico 4 Fotocatalizador para la división de agua solar mejorada. "
Nueva función de producción de hidrógeno del fotocatalizador productor de oxígeno
El Dr. Ng, experto en investigación de fotocatálisis, señaló que el fotocatalizador típico para la división del agua solar puede absorber la luz ultravioleta solo del espectro solar, que representa aproximadamente el 4% de la energía de la luz solar. Por el contrario, el vanadato de bismuto BiVO 4 , un fotocatalizador de óxido metálico que responde tanto a la luz ultravioleta como a la visible, puede absorber hasta un 30% de la energía en el espectro solar.
BiVO 4 en una estructura macroporosa ordenada en 3D 3DOM ha recibido considerable atención debido a su rendimiento superior. Las actividades fotocatalíticas mejoradas de esta estructura a menudo se atribuyen a la mayor área de superficie, alta absorción de luz y recombinación de carga suprimida.
Sin embargo, no hubo estudios sistemáticos que correlacionen la influencia del transporte de carga de la nanoestructura porosa altamente ordenada en la fotoactividad. El Dr. Ng y su equipo asumieron este desafío e investigaron las distintas dinámicas de los portadores de 3DOM y BiVO en forma de placa 4 muestras, así como su eficacia en fotocatálisis.
El equipo descubrió que en el proceso de división del agua bajo luz visible, la cantidad de oxígeno producida por 3DOM BiVO 4 el fotocatalizador es casi dos veces mayor que el producido por BiVO en forma de placa 4. Además, el 3DOM BiVO 4 el fotocatalizador exhibió una densidad de fotocorriente anódica más alta que la forma en forma de placa. Por lo tanto, 3DOM BiVO 4 tiene una mayor eficiencia de fotocatálisis. "Para nuestra sorpresa, BiVO 4 , originalmente un fotocatalizador productor de oxígeno, también produjo hidrógeno durante la división del agua bajo luz visible cuando estaba en la estructura 3DOM. Esto nunca se había informado anteriormente ", dijo el Dr. Ng.
Efecto de confinamiento cuántico descubierto
¿Cómo puede BiVO 4 ¿en una estructura 3DOM producir hidrógeno? El Dr. Wu Hao, el primer autor del artículo, quien es el líder de la corriente de energía en el laboratorio del Dr. Ng, compartió uno de los aspectos más destacados de este estudio., pared cristalina de 3DOM BiVO 4 elevó su banda de conducción. Permite la reducción de protones fotocatalíticos a hidrógeno bajo iluminación de luz visible, lo que permite que se genere hidrógeno a partir de la división del agua. "El confinamiento cuántico se refiere a cambios en las propiedades electrónicas y ópticas, como los niveles de energía y los espacios de banda cuando el tamañodel material se reduce a la nanoescala.
"BiVO 4 en general no puede producir hidrógeno debido a su posición de la banda de conducción. Ahora gracias al efecto de confinamiento cuántico, que elevó su banda de conducción, se puede producir hidrógeno. Esta es también la primera vez que se encuentra el efecto de confinamiento cuántico en 3DOM BiVO 4 , "explicó el Dr. Ng.
El equipo de investigación también descubrió que, incluso sin utilizar un cocatalizador, 3DOM BiVO 4 todavía puede producir hidrógeno a partir de soluciones bajo iluminación de luz visible, mientras que BiVO en forma de placa 4 mostró solo una producción de hidrógeno insignificante. Un cocatalizador es una sustancia que facilita la función de un catalizador. Puede proporcionar sitios de acumulación para cargas fotogeneradas y promover la separación de cargas.
El equipo también aplicó técnicas avanzadas, incluida la conductividad de microondas de resolución temporal, para investigar BiVO 4 fotocatalizador en 3DOM y estructuras en forma de placa. Descubrieron que en comparación con la estructura en forma de placa, 3DOM BiVO 4 tiene una movilidad de carga aproximadamente seis veces mayor, una vida útil del portador de carga aproximadamente 18 veces mayor y una longitud de difusión efectiva aproximadamente nueve veces mayor, lo que mejora la eficiencia de la fotocatálisis.
Próximo objetivo: división de aguas residuales
Este estudio representa un paso fundamental en la comprensión del transporte de carga en semiconductores de óxido metálico y estructura porosa altamente ordenada.
El próximo objetivo del Dr. Ng y su equipo es dividir las aguas residuales y explorar métodos para ampliar los sistemas fotocatalíticos. "El hidrógeno producido a partir de la división solar del agua es un proceso ecológico sin emisiones de carbono", dijo el Dr. Ng. "El hidrógeno se puede utilizarpara fines industriales y en pilas de combustible para electricidad. Esperamos que esta tecnología tenga una aplicación más amplia en el futuro, ya que existe una gran demanda para producir hidrógeno a partir de recursos ecológicos ".
El Dr. Ng y el Dr. Fatwa F. Abdi, del Instituto de Combustibles Solares, Helmholtz-Zentrum Berlin HZB, son los autores correspondientes del artículo. El primer autor es el Dr. Wu Hao, becario postdoctoral en la SEE de CityU. Dr. Chung Hoi-ying, un postdoctorado en la SEE también participó en la investigación. Otros investigadores colaboradores son de HZB y la Universidad de Tecnología de Beijing.
La investigación fue apoyada por el Consejo de Subvenciones de Investigación de Hong Kong y la Comisión de Innovación Científica y Tecnológica de Shenzhen.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de la ciudad de Hong Kong . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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