Nieznany! Chińscy naukowcy ujawniają „magiczną magię” słonecznej fotokatalitycznej produkcji wodoru

Reakcje fotokatalityczne słoneczne mogą rozszczepiać wodę w celu wytworzenia wodoru i redukcji dwutlenku węgla w celu wytworzenia „paliwa słonecznego”. To, w jaki sposób realizowana jest magiczna „magia” światła słonecznego, zawsze stanowiło trudny problem w dziedzinie nauki. Niedawno z Chińskiej Akademii Nauk nadeszły dobre wieści: zespół badawczy kierowany przez akademika Li Cana i badacza Fana Fengtao z Dalian Institute of Chemical Physics, Chinese Academy of Sciences (dalej zwanego „Dalian Institute of Chemical Physics”) z powodzeniem odkrył tę tajemnicę i „sfotografował” fotogenerowany ładunek Przenieś ewolucję w pełnych obrazach czasoprzestrzennych. Stosowne wyniki badań zostały opublikowane w międzynarodowym czasopiśmie naukowym „Nature” 12 października.

Główne wyzwanie naukowe fotokatalitycznego rozszczepiania wody polega na tym, jak osiągnąć skuteczną separację i transport fotogenerowanych ładunków. „W procesie fotokatalizy fotogenerowane elektrony i dziury muszą zostać oddzielone od wnętrza mikro-nanocząstek i przeniesione na powierzchnię katalizatora, aby rozpocząć reakcję chemiczną”. Fan Fengtao wyjaśnił, że ponieważ proces ten trwa od femtosekund do sekund, od atomów do mikronów, odkrycie mikroskopowego mechanizmu tego procesu jest niezwykle trudne.

„Nasz zespół od dłuższego czasu pracował nad rozwiązaniem tego problemu. W tej pracy, integrując różne zaawansowane technologie i teorie, prześledziliśmy cały proces separacji i ewolucji transferu fotogenerowanych ładunków w nanocząstkach w całej czasoprzestrzeni” domeny. "Li Can powiedział.

Według Li Can, poprzez integrację różnych zaawansowanych technik charakteryzacji i symulacji teoretycznych, w tym fotoemisyjnej mikroskopii elektronowej z rozdzielczością czasową (od femtosekund do nanosekund), spektroskopii fotowoltaicznej powierzchni przejściowej (od nanosekund do mikrosekund) i mikroskopii fotowoltaicznej powierzchni (od mikrosekund) od sekundy do sekundy) , itp., niczym sztafeta, po raz pierwszy w cząstce fotokatalizatora prześledzili cały mechanizm docierania elektronów i dziur do powierzchniowego centrum reakcji.

Możliwość śledzenia transferu ładunku w czasie i przestrzeni znacznie przyczyni się do zrozumienia złożonych mechanizmów w procesie konwersji energii oraz dostarczy nowych pomysłów i metod badawczych na rzecz racjonalnego projektowania fotokatalizatorów o lepszej wydajności. „Oczekuje się, że w przyszłości to osiągnięcie będzie promować zastosowanie słonecznego fotokatalitycznego rozszczepiania wody do produkcji„ paliwa słonecznego ”w prawdziwym życiu, stopniowo zamieniając marzenia w rzeczywistość i zapewniając czystą i zieloną energię do naszej produkcji i życia”, powiedział Li Can.

Istnieją trzy typowe techniczne drogi słonecznego rozszczepiania wody w celu wytworzenia wodoru, a mianowicie elektroliza wody wspomagana fotowoltaicznie, fotokatalityczne rozszczepianie wody i fotokatalityczne rozszczepianie wody. Wśród nich elektroliza wody wspomagana fotowoltaiką, czyli wykorzystanie zielonej energii elektrycznej wytwarzanej przez fotowoltaikę do elektrolizy wody w celu wytworzenia zielonego wodoru.

Najprostszym i najbardziej ekonomicznym rozwiązaniem jest wykorzystanie fotokatalizatorów do realizacji rozszczepiania wody słonecznej w celu wytworzenia wodoru. Konstrukcja urządzenia jest prostsza, całkowity koszt jest tani i można go łatwo skalować. Technologia ta rozpoczęła się w 1972 roku, kiedy dwóch profesorów, Fujishima A i Honda K z Uniwersytetu Tokijskiego, po raz pierwszy poinformowało, że monokrystaliczne elektrody TiO2 fotokatalitycznie rozkładają wodę i wytwarzają wodór, ujawniając w ten sposób możliwość wykorzystania energii słonecznej do bezpośredniego rozkładu wody w celu wytworzenia wodór Możliwość, otworzyła ścieżkę badawczą produkcji wodoru poprzez fotolizę wody z wykorzystaniem energii słonecznej. Fotokatalizatory wkraczające obecnie w pole widzenia naukowców to tantalany, niobiany, tytaniany i polisiarczki.

Oprócz poszukiwania katalizatorów ważną częścią jest również sposób osiągnięcia wydajnej separacji i transportu fotogenerowanych ładunków. Odkrycie Dalian Institute of Chemical Physics ma ogromną rolę w promowaniu fotokatalitycznej produkcji wodoru.