Ученые улучшают водоразделение с целью облегчения производства водорода

Водород является источником чистой энергии, он может быть получен путем расщепления молекул воды светом. Однако в настоящее время невозможно достичь этого в больших масштабах. В недавнем прорыве ученые Токийского университета науки, Япония, разработали новый метод, который использует плазменный разряд в растворе для улучшения характеристик фотокатализатора в реакции расщепления воды. Это открывает двери для изучения ряда фотокатализаторов, которые могут помочь увеличить масштаб этой реакции.

Постоянно обостряющийся глобальный экологический кризис в сочетании с истощением запасов топлива побудил ученых искать источники чистой энергии. Водород (H2) может служить экологически чистым топливом, и производство водорода стало горячей темой исследований. Хотя еще никто не нашел энергоэффективного и доступного способа производства водорода в больших масштабах, прогресс в этой области неуклонен, и были предложены различные методы.

Один из таких методов включает использование света и катализаторов (материалов, ускоряющих реакции) для расщепления воды (H2O) на водород и кислород. Катализаторы имеют кристаллическую структуру и способность разделять заряды на границах раздела между некоторыми из их сторон. Когда свет попадает на кристалл под определенными углами, энергия света поглощается кристаллом, в результате чего определенные электроны освобождаются от своих первоначальных орбит вокруг атомов в материале. Когда электрон покидает свое первоначальное место в кристалле, в структуре создается положительно заряженная вакансия, известная как дырка. Как правило, эти «возбужденные» состояния не длятся долго, и свободные электроны и дырки в конечном итоге рекомбинируют.

Это относится и к кристаллическим катализаторам на основе ванадата висмута (BiVO4). BiVO4 был недавно исследован для реакций расщепления воды, учитывая его перспективность в качестве материала, в котором разделение заряда может происходить при возбуждении видимым светом. Быстрая рекомбинация пар заряженных объектов («носителей») является недостатком, потому что носители должны отдельно участвовать в реакциях, которые разрушают воду.

В недавнем исследовании, опубликованном в журнале Chemical Engineering Journal , ученые из Международного исследовательского центра фотокатализа при Токийском университете науки, Япония, вместе с учеными из Северо-восточного педагогического университета в Китае разработали новый метод улучшения характеристик разделения заряда в декааэдре. Профессор Terashima, ведущий ученый в исследовании, объясняет: «Недавние исследования показали, что носители могут генерироваться и разделяться на границах раздела между различными гранями определенных кристаллов. В случае BiVO4, однако, силы, которые разделяют носители, слишком слабы для электронно-дырочных пар, которые генерируются немного вдали от границ раздела. Поэтому разделение носителей в BiVO4 декаэдра требовали дальнейших улучшений, что побудило нас провести это исследование».

В предложенной ими методике нанокристаллы BiVO4 подвергаются воздействию так называемого «раствора плазменного разряда», сильнозаряженной струи энергетического вещества, которое создается путем подачи высокого напряжения между двумя клеммами, погруженными в воду. Плазменный разряд удаляет некоторые атомы ванадия (V) с поверхности определенных граней кристаллов, оставляя вакансии ванадия. Эти вакансии действуют как «ловушки электронов», которые способствуют усиленному разделению носителей. Поскольку этих вакансий больше на восьми боковых гранях декаэдра, электроны захватываются на этих гранях, а дырки накапливаются на верхней и нижней гранях. Такое усиленное разделение зарядов приводит к лучшим каталитическим характеристикам нанокристаллов BiVO4, тем самым улучшая его способность к расщеплению воды.

Источник

Метки: вода, водород