بسیار کارآمد گاز هیدروژن تولید با استفاده از نور خورشید و آب و هماتیت

یک گروه تحقیقاتی به رهبری استاد تاچیکاوا تاکاشی از کوبه دانشگاه مولکولی Photoscience مرکز تحقیقات موفق شده است در حال توسعه یک استراتژی است که تا حد زیادی افزایش مقدار هیدروژن تولید شده از نور خورشید و آب با استفاده از هماتیت photocatalysts.(*1)

هیدروژن را دریافت کرده است با توجه به عنوان ممکن است نسل بعدی انرژی راه حل آن را می توان از نور خورشید و آب با استفاده از photocatalysts. به منظور ایجاد این عملی لازم برای توسعه پایه و اساس فن آوری های بهینه سازی پتانسیل photocatalysts در علاوه بر این به پیدا کردن مواد جدید به صورت کاتالیزور.

این بار تاچیکاوا et al. با موفقیت تولید فوتوآند حاصل با بسیار بالا هدایت. این بود که زمانی صرفا توسط شبيه سازي هماتیت (*2) mesocrystals (*3, روبنای متشکل از کوچک نانوذرات تقریبا. 5nm) به یک الکترود شفاف بستر. هماتیت می تواند جذب طیف گسترده ای از نور مرئی است و امن و پایدار و ارزان است. با این فوتوآند حاصل الکترون و حفره تولید شده توسط منبع نور جدا شده به سرعت و در همان زمان تعداد زیادی از حفره های پر انباشته شده در سطح ذرات. تجمع سوراخ بهبود بهره وری از آب واکنش اکسیداسیون; کند اکسیداسیون آب قبلا یک تنگنا در آب تقسیم است.

علاوه بر افزایش راندمان بالا از آنچه که تصور می شود در جهان بالاترین انجام فوتوآند حاصل این استراتژی را نیز میتوان مصنوعی, فتوسنتز و آب خورشیدی-تقسیم فن آوری از طریق همکاری بین دانشگاه و صنایع.

این نتایج منتشر خواهد شد در آلمانی آنلاین شیمی مجله”Angewandte شیمی, نسخه بین المللی‘ در 30 آوریل. این کار نیز برجسته در داخل را پوشش میدهد.

نکات اصلی:

  • متعدد اکسیژن خالی (*5) تشکیل شد در داخل هماتیت mesocrystals با جمع آوری و پخت بسیار کوچک-جهت گیری نانو ذرات کمتر از 10 نانومتر.
  • حضور اکسیژن خالی بهبود هدایت photocatalyst الکترود در همان زمان به آن معنی داری سطح شیب پتانسیل موجب ترویج جدایی از الکترون ها و حفره ها.
  • در همان زمان مقدار زیادی از حفره های منتقل شده به سطح ذرات اجازه می دهد میزان بالایی از اکسیژن تکامل از آب است. این فعال محققان برای رسیدن به جهان بالاترین خورشیدی آب-تقسیم عملکرد برای هماتیت آند.
  • این استراتژی می توان به طیف گسترده ای از photocatalysts ابتدا با آب خورشیدی-تقسیم.

پيشينه پژوهش

با جهان رو به افزایش زیست محیطی و مسائل مربوط به انرژی هیدروژن به دست آورده توجه به عنوان یکی ممکن است نسل بعدی منابع انرژی. در حالت ایده آل photocatalysts می تواند مورد استفاده قرار گیرد برای تبدیل آب و نور خورشید به هیدروژن. اما انرژی خورشیدی تبدیل نرخ بیش از 10 درصد است که لازم است برای فعال کردن این سیستم به تصویب رسید صنعتی. استفاده ژاپن از نقاط قوت جدید در مواد, کشف حیاتی برای ایجاد یک مشترک بنیاد تکنولوژی است که می تواند باز کردن پتانسیل photocatalysts به منظور دستیابی به این هدف.

قبلا تاچیکاوا et al. طراحی و توسعه ‘mesocrystal تکنولوژی’ که شامل دقیقا هماهنگی نانوذرات در photocatalysts برای کنترل جریان الکترون ها و حفره های خود را. به تازگی آنها اعمال این فن آوری به هماتیت (a-Fe2O3) و موفق به طور چشمگیری افزایش نرخ تبدیل.

در این زمان آنها قادر به افزایش نرخ تبدیل به 42 درصد از آن حد نظری (16%) توسط سنتز کوچک نانوذرات زيرواحدهای در هماتیت.

روش تحقیق

Mesocrystal تکنولوژی:

مشکل اصلی که باعث کاهش نرخ تبدیل در واکنش های فتوکاتالیستی است که الکترون و حفره تولید شده توسط نور ترکیب قبل از آنها می تواند واکنش با مولکول (در این مورد آب) بر روی سطح. تاچیکاوا et al. ایجاد شده هماتیت mesocrystal روبنای با شدت گرا نانوذرات از طریق solvothermal synthesis (*7). آنها قادر به توسعه رسانا mesocrystal photoanodes برای تقسیم آب با جمع آوری و پخت mesocrystals بر روی الکترود شفاف بستر.

Photocatalyst شکل گیری و عملکرد:

Mesocrystal photoanodes تولید شد توسط پوشش الکترود شفاف بستر با هماتیت mesocrystals حاوی تیتانیوم و سپس شبيه سازي آنها در 700ºC. یک شرکت کاتالیست (*8) سپرده شد در سطح mesocrystals. زمانی که photocatalysts شد قرار داده شده در یک محلول قلیایی و روشن با نور خورشید مصنوعی آب-تقسیم واکنش صورت گرفت در یک photocurrent تراکم 5.5 mAcm-2 تحت اعمال ولتاژ از 1.23 V. این بالاترین عملکرد به دست آمده در جهان برای هماتیت است که یکی از ایده آل ترین photocatalyst مواد با توجه به هزینه پایین آن و جذب نور خواص. علاوه بر این هماتیت mesocrystal photoanodes عمل پایدار در طول تکرار آزمایش در طی 100 ساعت.

کلید دستیابی به یک نرخ تبدیل بالا است اندازه نانوذرات را تشکیل می دهند که mesocrystal ساختار. ممکن است تا حد زیادی افزایش مقدار اکسیژن خالی است که فرم در طول فرایند تف جوشی با ساخت نانوذرات به عنوان کوچک به عنوان 5 نانومتر و افزایش اتصال رابط بین نانوذرات. این افزایش چگالی الکترونی و به طور قابل توجهی افزایش رسانایی از mesocrystals.

بالا چگالی الکترونی متصل است به تشکیل یک باند بزرگ خم (*9) در نزدیکی mesocrystal سطح. این ترویج اولیه اتهام جدایی و همچنین ساخت آن را آسان تر برای سوراخ به تجمع در سطح. این نتیجه بهینه سازی شده بود با توجه به کوچک نانوذرات ساختار mesocrystals و افزایش آب واکنش اکسیداسیون بود که یک تنگنا برای کارآمد آب تقسیم است.

تحقیقات بیشتر

این مطالعه نشان داد که mesocrystal تکنولوژی است که قادر به به طور قابل توجهی به حداقل رساندن نوترکیبی موضوع است که علت اصلی بهره وری پایین در photocatalysts و نمایی سرعت بخشیدن به تقسیم آب واکنش.

امید است که این استراتژی را می توان به دیگر اکسیدهای فلزی به عنوان به خوبی. بعدی محققان خواهد همکاری با صنایع به منظور بهینه سازی هماتیت mesocrystal photoanodes و پیاده سازی یک سیستم صنعتی برای تولید هیدروژن از نور خورشیدی. در همان زمان استراتژی توسعه یافته توسط این مطالعه اعمال خواهد شد به واکنش های مختلف از جمله فتوسنتز مصنوعی.

واژه نامه

1. Photocatalyst: یک ماده است که می تواند به عنوان یک کاتالیزور برای واکنش های مربوط به نور و روشنایی است. این photocatalyst اعمال می شود به یک بستر است که جذب نور است. استفاده به عنوان الکترود را نیز می تواند به نام یک photocatalyst آند یا فوتوآند حاصل. در این مطالعه یک photocatalyst استفاده شد واکنش تولید هیدروژن با تقسیم کردن مولکول های آب.

2. هماتیت: یک نوع اکسید آهن سنگ معدن. علاوه بر امن بودن ارزان و پایدار (pH > 3) و هماتیت جذب می تواند طیف گسترده ای از نور مرئی (approx. تحت 600nm). نظری محدود از آن انرژی خورشیدی مکالمه بهره وری است که 16 درصد (یک photocurrent تراکم 13mAcm-2).

3. Mesocrystal: متخلخل کریستال روبنای متشکل از نانوذرات که به شدت تراز وسط قرار دارد. صدها نانومتر یا میکرومتر کوچک آنها ویژگی های خلل و فرج بین ذرات آن بین 2 تا 50 نانومتر.

4. فتوسنتز مصنوعی: روش به صورت مصنوعی بازسازی فتوسنتز است که چگونه گیاهان تبدیل نور خورشید و آب و کربن دی اکسید به کربوهیدرات و اکسیژن است. فتوسنتز مصنوعی نیز می تواند مورد استفاده قرار گیرد برای تولید سایر ترکیبات مفید می باشد.

5. اکسیژن خالی: داخل mesocrystal ساختار وجود دارد که در آن فضاهای بدون اکسیژن وجود دارد اینها به نام اکسیژن خالی (Vo). در هماتیت ایجاد این اکسیژن خالی باعث افزایش هدایت الکتریکی به دلیل Fe+ 3 است deoxygenated تبدیل شدن به Fe2+ (مولکول های اکسیژن حرکت برای پر کردن جای خالی).

6. نور بازده تبدیل انرژی: میزان ذرات نور مورد استفاده در واکنش (خروجی) تقسیم بر مقدار وارد شده ذرات نور. این بیان به عنوان یک درصد است.

7. Solvothermal روش: روش سنتز مواد جامد با استفاده از حلالهای آلی در دمای بالا و فشار بالا.

8. Co-کاتالیزور: ماده ای استفاده می شود در کنار photocatalyst به افزایش واکنش کاتالیزوری. در این مطالعه کبالت یون فسفات (Co-Pi) استفاده شد به عنوان یک شرکت کاتالیزور برای افزایش تولید اکسیژن.

9. گروه: رسانا باند و ظرفیت گروه در حال گروههای که الکترون ها و حفره ها می تواند اشغال کند. در نیمه هادی ها وجود دارد ، bandgap بین valence باند و هدایت گروه اجازه می دهد یک تعداد مناسب از ظرفیت الکترون به حرکت به هدایت گروه هنگامی که مقدار مشخصی از انرژی اعمال می شود. زمانی که چگالی الکترونی در هدایت گروه را افزایش می دهد, حرکت آنها به سمت سطح تشکیل یک منحنی به سمت بالا.

10. حساس به نور متمرکز AFM (Atomic Force Microscope): را قادر می سازد نانو تجزیه و تحلیل ویژگی های الکتریکی از مواد. در مطالعه حاضر این بود که استفاده می شود برای اندازه گیری زمان از فردی mesocrystal ذرات با روشن آنها را با 405nm طول موج نور LED.

tinyurlis.gdv.gdv.htclck.ruulvis.netshrtco.de