Formazione di fotoanodi di mesocristallo e caratteristiche di scissione fotochimica dell'acqua. un. Immagine al microscopio elettronico di un mesocristallo di ematite (assemblato da minuscole nanoparticelle di circa 5 nm). B. Produzione di gas dall'anodo. C. Grafico per mostrare la densità di corrente e la tensione applicata. L'anodo è l'anodo del fotocatalizzatore, e per il catodo è stato utilizzato un elettrodo di platino. Il potenziale è basato sull'RHE (Reversible Hydrogen Electrode). Il potenziale di ossidazione è 1,23V. La capacità di scissione dell'acqua solare è stata notevolmente migliorata riducendo le nanoparticelle nelle strutture dei mesocristalli. Credito:Università di Kobe
Un gruppo di ricerca guidato dal professore associato Tachikawa Takashi del Molecular Photoscience Research Center dell'Università di Kobe è riuscito a sviluppare una strategia che aumenta notevolmente la quantità di idrogeno prodotta dalla luce solare e dall'acqua utilizzando fotocatalizzatori di ematite.
L'idrogeno ha ricevuto attenzione come possibile soluzione energetica di prossima generazione, e può essere prodotto dalla luce solare e dall'acqua utilizzando fotocatalizzatori. Per rendere questo praticabile, è necessario sviluppare tecnologie di base per ottimizzare le potenzialità dei fotocatalizzatori, oltre a trovare nuovi materiali per i catalizzatori.
Questa volta, Tachikawa et al. prodotto con successo un fotoanodo con una conduttività estremamente elevata. Ciò è stato ottenuto esclusivamente mediante la ricottura dei mesocristalli di ematite, (sovrastrutture costituite da minuscole nanoparticelle di circa 5 nm) su un substrato di elettrodo trasparente. L'ematite può assorbire un'ampia gamma di luce visibile ed è sicura, stabile, e poco costoso.
Con questo fotoanodo, gli elettroni e le lacune prodotti dalla sorgente luminosa si separarono rapidamente e, allo stesso tempo, un gran numero di fori densamente accumulati sulla superficie delle particelle. L'accumulo di buchi ha migliorato l'efficienza della reazione di ossidazione dell'acqua; la lenta ossidazione dell'acqua è stata in precedenza un collo di bottiglia nella scissione dell'acqua.
Oltre ad aumentare l'elevata efficienza di quello che è considerato il fotoanodo più performante al mondo, questa strategia sarà applicata anche alla fotosintesi artificiale e alle tecnologie di scissione dell'acqua solare tramite collaborazioni tra università e industrie.
Questi risultati saranno pubblicati nella rivista di chimica online tedesca Angewandte Chemie Edizione Internazionale il 30 aprile. Quest'opera era presente anche nella copertina interna.
La fotoconduttività dei mesocristalli di ematite. un. Illustrazione delle misurazioni AFM fotoconduttive (*10). B. Grafico che mostra le curve di potenziale corrente/corrente corrispondenti. L'immagine nel riquadro mostra il mesocristallo misurato (prodotto dalla sinterizzazione di mesocristalli da minuscole nanoparticelle da 5 nm). Credito:Università di Kobe
Punti principali:
Con il mondo che deve affrontare crescenti problemi ambientali ed energetici, l'idrogeno ha attirato l'attenzione come una delle possibili fonti di energia di prossima generazione. Idealmente, i fotocatalizzatori potrebbero essere utilizzati per convertire l'acqua e la luce solare in idrogeno. Però, è necessario un tasso di conversione dell'energia solare superiore al 10% per consentire l'adozione industriale di tale sistema. Utilizzando i punti di forza del Giappone nella scoperta di nuovi materiali, è fondamentale stabilire una tecnologia di base comune che possa sbloccare il potenziale dei fotocatalizzatori per raggiungere questo obiettivo.
In precedenza, Tachikawa et al. ha sviluppato la "tecnologia dei mesocristalli", che prevede l'allineamento preciso delle nanoparticelle nei fotocatalizzatori per controllare il flusso di elettroni e le loro lacune. Recentemente, hanno applicato questa tecnologia all'ematite (a-Fe 2 oh 3 ), ed è riuscito ad aumentare drasticamente il tasso di conversione.
Questa volta, sono stati in grado di aumentare il tasso di conversione fino al 42% del suo limite teorico (16%) sintetizzando minuscole subunità di nanoparticelle nell'ematite.
Tecnologia dei mesocristalli:
Il meccanismo solare di scissione dell'acqua dei mesocristalli di ematite. un. La formazione di vacanze di ossigeno (Vo) all'interno dei mesocristalli e della struttura a bande. Strati di esaurimento inferiori a 1 nm promuovono la divisione degli elettroni e l'ossidazione dell'acqua. CB:banda di conduzione, VB:Banda di Valenza, e-:elettrone, h+:buco. B. Secondo il gradiente potenziale, una grande quantità di fori accumulati sulla superficie delle particelle e ossidato l'acqua, portando ad una forte diminuzione dell'energia di attivazione (Ea) e migliorando il tasso di conversione.
Il problema principale che causa un calo del tasso di conversione nelle reazioni fotocatalitiche è che gli elettroni e le lacune prodotti dalla luce si ricombinano prima di poter reagire con le molecole (in questo caso, acqua) in superficie. Tachikawa et al. creato sovrastrutture mesocristalline di ematite con nanoparticelle altamente orientate tramite sintesi solvotermica. Sono stati in grado di sviluppare fotoanodi mesocristalli conduttivi per la scissione dell'acqua accumulando e sinterizzando i mesocristalli sul substrato dell'elettrodo trasparente (Figura 1).
Formazione e prestazioni del fotocatalizzatore:
I fotoanodi di mesocristallo sono stati prodotti rivestendo il substrato dell'elettrodo trasparente con mesocristalli di ematite contenenti titanio e quindi ricotturandoli a 700 ºC. Un co-catalizzatore è stato depositato sulla superficie dei mesocristalli. Quando i fotocatalizzatori sono stati posti in una soluzione alcalina e illuminati con luce solare artificiale, la reazione di scissione dell'acqua è avvenuta a una densità di fotocorrente di 5,5 mAcm-2 con una tensione applicata di 1,23 V (Figura 1). Questa è la prestazione più alta raggiunta al mondo per l'ematite, che è uno dei materiali fotocatalizzatori più ideali sia per il suo basso costo che per le proprietà di assorbimento della luce. Inoltre, i fotoanodi del mesocristallo di ematite hanno funzionato stabilmente durante ripetuti esperimenti nel corso di 100 ore.
La chiave per ottenere un alto tasso di conversione è la dimensione delle nanoparticelle che compongono la struttura del mesocristallo. È possibile aumentare notevolmente la quantità di vacanze di ossigeno che si formano durante il processo di sinterizzazione rendendo le nanoparticelle di appena 5 nm e aumentando le interfacce di connessione tra le nanoparticelle. Questo ha aumentato la densità elettronica, e ha aumentato significativamente la conduttività dei mesocristalli (Figura 2).
L'elevata densità elettronica è collegata alla formazione di una larga banda che si piega vicino alla superficie del mesocristallo. Ciò favorisce la separazione iniziale della carica e facilita l'accumulo di fori sulla superficie. Questo risultato è stato ottimizzato grazie alla minuscola struttura a nanoparticelle dei mesocristalli, e potenziato la reazione di ossidazione dell'acqua che era stata un collo di bottiglia per un'efficiente scissione dell'acqua (Figura 3).
Questo studio ha rivelato che la tecnologia dei mesocristalli è in grado di ridurre significativamente il problema della ricombinazione, che è la principale causa di bassa efficienza nei fotocatalizzatori, e accelerare esponenzialmente la reazione di scissione dell'acqua.
Si spera che questa strategia possa essere applicata anche ad altri ossidi metallici. Prossimo, i ricercatori collaboreranno con le industrie per ottimizzare i fotoanodi del mesocristallo di ematite e implementare un sistema industriale per la produzione di idrogeno dalla luce solare. Allo stesso tempo, la strategia sviluppata da questo studio sarà applicata a varie reazioni, compresa la fotosintesi artificiale.
