Waterstofproductie met behulp van zonlichtenergie (zon-watersplitsing) heeft veel aandacht gekregen in de zoektocht naar koolstofneutrale technologieën. Als chemische producten met toepassingen in de gezondheids- en voedingsindustrie tegelijkertijd met waterstof zouden kunnen worden geproduceerd, zou dit de kosten van het splitsen van zonne-water helpen verlagen en het toepassingsgebied van de technologie vergroten. In deze studie hebben Kobe University’s universitair hoofddocent Tachikawa et al. ontdekten dat ze door het oppervlak van hun eerder ontwikkelde hematiet-fotokatalysator te wijzigen, veilig, goedkoop en stabiel waterstofperoxide en waterstof konden produceren. Waterstofperoxide wordt voor veel doeleinden gebruikt, waaronder desinfecteren, bleken en bodemverbetering.
Met behulp van een hematiet (*1) fotokatalysator (*2) is een gezamenlijk onderzoeksteam erin geslaagd om zowel waterstofgas als waterstofperoxide (*3) tegelijkertijd te produceren uit zonlicht en water. Het team bestond uit de volgende leden van de Kobe University: universitair hoofddocent TACHIKAWA Takashi (van het Molecular Photoscience Research Center), professor TENNO Seiichiro (Graduate School of System Informatics/ Graduate School of Science, Technology and Innovation), universitair hoofddocent TSUCHIMOCHI Takashi (Graduate School van systeeminformatica) et al.
In de zoektocht naar een CO2-neutrale samenleving heeft de CO2-vrije waterstofproductie met behulp van zonne-energie aandacht gekregen. Als chemische producten met toepassingen in de gezondheids- en voedingsindustrie tegelijkertijd met waterstof zouden kunnen worden geproduceerd door middel van fotokatalysator-gemedieerde zonne-watersplitsing, zou het mogelijk zijn om een zonne-watersplitsend gebruikssysteem te ontwikkelen met een nog grotere toegevoegde waarde.
Hematiet mesocrystals (*4) kunnen een breed scala aan zichtbaar licht absorberen. In deze studie, universitair hoofddocent Tachikawa et al. ontdekte dat door elektroden te maken met mesokristallen gedoteerd (*5) met twee verschillende metaalionen, het mogelijk was om veilig, goedkoop en stabiel zowel waterstofperoxide als waterstof te produceren. Waterstofperoxide wordt voor veel doeleinden gebruikt, waaronder desinfecteren, bleken en bodemverbetering.
Het volgende doel van de onderzoeksgroep is om deze technologie te implementeren. Terwijl ze doorgaan met het verbeteren van de hoge efficiëntie van de ontwikkelde fotokatalysatorelektrode, zullen ze proberen de cellen te assembleren tot een compacte module als een stap naar maatschappelijke implementatie. Ze zijn ook van plan om deze mesocrystal-technologie te ontwikkelen met verschillende materialen en reactiesystemen.
Dit was een gezamenlijk onderzoeksproject met het Institute of Materials and Systems for Sustainability van de Nagoya University (professor MUTO Shunsuke) en het Japan Synchrotron Radiation Research Institute (JASRI) (hoofdonderzoeker OHARA Koji en onderzoeker INA Toshiaki).
advertentie
De resultaten zijn op 23 maart 2022 online gepubliceerd in Nature Communications (Nature Publishing Group).
Hoofdpunten
Hematiet is op zichzelf niet geschikt voor de productie van waterstofperoxide. Door het hematiet te doteren met verschillende metaalionen (tin en titanium) en het te sinteren, ontwikkelden de onderzoekers een zeer actieve co-katalysator van composietoxide (*6). De mogelijkheid om naast waterstof ter plaatse waterstofperoxide te produceren, zal bijdragen aan het verlagen van de kosten van het splitsen van water door zonne-energie en het vergroten van het toepassingsgebied van de technologie. Waterstofperoxide wordt voor veel doeleinden gebruikt, waaronder desinfecteren, bleken en bodemverbetering.
Onderzoeksachtergrond Nu de wereld wordt geconfronteerd met toenemende milieu- en energieproblemen, heeft waterstof de aandacht getrokken als een van de mogelijke energiebronnen van de volgende generatie. In het ideale geval zouden fotokatalysatoren zonlicht en water kunnen gebruiken om waterstof te produceren, maar het is noodzakelijk om een conversieratio van 10% te bereiken om een dergelijk systeem industrieel toepasbaar te maken. Er is op gewezen dat zelfs als deze efficiëntie wordt bereikt, de kosten van waterstof niet de gewenste waarde zullen bereiken. Om deze problemen op te lossen, is er een sterke vraag naar de ontwikkeling van een concurrerend zonne-watersplitsingssysteem van de volgende generatie met een hoge toegevoegde waarde dat naast waterstof ook andere nuttige chemicaliën kan produceren.
In hun eerdere onderzoek hebben Tachikawa et al. ontwikkelde ‘mesocrystal technology’, waarbij nanodeeltjes in fotokatalysatoren nauwkeurig worden uitgelijnd om de stroom van elektronen en hun gaten te regelen. Onlangs zijn ze erin geslaagd de efficiëntie van de lichtenergieconversie drastisch te verhogen door deze technologie toe te passen op hematiet.
Tot nu toe werd hematiet niet toegepast bij de productie van waterstofperoxide. In deze studie ontdekten de onderzoekers dat door het oppervlak van het hematiet te modificeren met een samengesteld oxide van tin- en titaniumionen het mogelijk was om zowel waterstof als waterstofperoxide op een zeer efficiënte en selectieve manier te produceren.
advertentie
onderzoeksmethode
Mesocrystal-technologie: Het belangrijkste probleem dat een daling van de conversiesnelheid in fotokatalytische reacties veroorzaakt, is dat de elektronen en gaten die door licht worden geproduceerd, recombineren voordat ze kunnen reageren met de moleculen (in dit geval water). Tachikawa et al. creëerde 3D-structuren van hematiet-mesocrystals met sterk georiënteerde nanodeeltjes via solvothermische synthese (*8). Bovendien waren ze in staat om mesocrystal foto-elektroden te ontwikkelen voor het splitsen van water door de mesocrystals te coaten en te sinteren op het geleidende glassubstraat.
Vorming van een co-katalysator voor de productie van waterstofoxide via segregatie van doteermiddelen: Normaal gesproken resulteert fotokatalytische watersplitsing met hematiet in de vorming van zuurstof uit de oxidatie van het water. Dotering van dit hematiet met tinionen (Sn2+) en titaniumionen (Ti4+) en vervolgens sinteren bij 700°C veroorzaakt segregatie van de tin- en titaniumdoteermiddelen, wat leidt tot de vorming van een composietoxide (SnTiOx) co-katalysator met een hoge selectiviteit voor productie van waterstofperoxide). Deze structurele verandering werd onthuld door het uitvoeren van op synchrotron gebaseerde metingen van de totale verstrooiing van röntgenstralen met behulp van bundellijnen BL01B1 en BLO4B2 in de SPring-8 (*9) faciliteit, en door gebruik te maken van een hoge resolutie elektronenmicroscoop waarin elektronenenergieverlies spectroscopie is verwerkt (*10) .
Vorming en prestatie van fotokatalysator: De watersplitsingsreactie werd bevorderd wanneer spanning werd aangelegd op de fotokatalysatorelektrode die werd verlicht door kunstmatig zonlicht. De onderzoekers onderzochten de foto-elektrische stroomdichtheid en de Faradiac-efficiëntie (*11), die respectievelijk de waterstofproductie-efficiëntie en de waterstofperoxideselectiviteit aangeven. Er werd onthuld dat er positieve en negatieve effecten waren op de productie van waterstof en waterstofperoxide als de fotokatalysator met slechts één van de metaalionen was gedoteerd. Anderzijds kan hematiet gedoteerd met zowel Sn2+ als Ti4+ waterstof en waterstofperoxide tegelijkertijd produceren op een zeer efficiënte en zeer selectieve manier. Bovendien suggereerden eerste principeberekeningen (*12) dat de SnTiOx-cokatalysator op het hematiet bestond uit SnO2/SnTiO3-lagen van enkele nanometers dik.
Verdere ontwikkelingen
Door het oppervlak van het hematiet dat gebruikt wordt voor de fotokatalysator te modificeren, slaagde de onderzoeksgroep erin om waterstofperoxide te produceren, dat nog niet eerder op deze manier werd geproduceerd, op een zeer efficiënte en selectieve manier. Vervolgens zijn de onderzoekers van plan om de fotokatalytische elektrode verder te optimaliseren en samen te werken met de industrie om een on-site systeem te ontwikkelen voor de productie van waterstof en waterstofperoxide met behulp van zonlicht. Ze zijn ook van plan om de toepassingen ervan te ontwikkelen voor andere metaaloxiden en reactiesystemen.
Woordenlijst 1. Hematiet (α-Fe2O3): een soort ijzeroxideerts. Hematiet is niet alleen veilig, goedkoop en stabiel (pH > 3), het kan een breed scala aan zichtbaar licht absorberen (ca. minder dan 600 nm).
2. Fotokatalysator: een materiaal dat kan worden gebruikt als katalysator voor reacties waarbij licht wordt gebruikt. De fotokatalysator wordt aangebracht op een geleidend glassubstraat (FTO-glas) dat het licht absorbeert. Gebruikt als een elektrode, kan het ook een fotokatalysatoranode of een fotoanode worden genoemd. In deze studie werd een fotokatalysator gebruikt voor de reactie om waterstof te produceren door de watermoleculen te splitsen.
3. Waterstofperoxide: Waterstofperoxide (H2O2) wordt vaak gebruikt voor een breed scala aan toepassingen, zoals ontsmettingsmiddelen, detergenten, cosmetica, bleekmiddel en in het zuiveren van water. Het grootste deel van waterstofperoxide wordt geproduceerd met behulp van het antrachinonproces dat moet worden uitgevoerd in een grootschalige chemische fabriek en waarbij organisch afval en CO2 worden gegenereerd. Bovendien is waterstofperoxide onstabiel, daarom is het duur om het te vervoeren en zijn er zorgen over de veiligheid ervan. Deze onderzoeksgroep ontwikkelde echter een methode om vloeibaar H2O2 te synthetiseren via een veilig, goedkoop en groen proces. H2O2 heeft een hogere marktwaarde dan O2, dus de productie van waterstofperoxide tegelijk met waterstof kan ook de productiekosten voor waterstof verlagen.
4. Mesocrystal: Poreuze kristalstructuren bestaande uit nanodeeltjes die driedimensionaal zijn uitgelijnd. Ze zijn honderden nanometers of micrometers klein en hebben poriën tussen de nanodeeltjes van 2 tot 50 nanometer.
5. Doping: het toevoegen van een kleine hoeveelheid van een andere stof aan de kristallen om hun fysieke eigenschappen te veranderen. Doteringsdiffusie vindt plaats in de kristalstructuur en het fenomeen waarbij het op het oppervlak wordt afgezet, wordt doteringssegregatie genoemd.
6. Co-katalysator: Een stof die wordt gecombineerd met de fotokatalysator om de reactie te vergemakkelijken. In deze studie werd een tin- en titaniumcomposietoxide gebruikt om de productie van waterstofperoxide te bevorderen.
7. Lichtenergieconversie-efficiëntie: de hoeveelheid lichtdeeltjes die in de reactie (output) wordt gebruikt, gedeeld door de hoeveelheid ingevoerde lichtdeeltjes.
8. Solvothermische methode: een methode voor het synthetiseren van vaste stoffen met behulp van oplosmiddelen bij hoge temperaturen en hoge drukken.
9. SPring-8: SPring-8, gelegen in het Harima Science Park in de prefectuur Hyogo, Japan, is een grote synchrotronstralingsfaciliteit die momenteel de krachtigste synchrotronstraling ter wereld levert. Synchrotronstraling wordt geproduceerd wanneer elektronenbundels, versneld tot bijna de lichtsnelheid, door een magnetisch veld in een gekromd pad worden gedwongen, waardoor zeer gerichte krachtige elektromagnetische straling wordt geproduceerd. Bij Spring-8 wordt een breed scala aan onderzoek gedaan met behulp van synchrotronstraling, waaronder nanotechnologie, biotechnologie en industriële toepassingen. SPring-8 wordt beheerd door RIKEN, waarbij het Japan Synchrotron Radiation Research Institute (JASRI) verantwoordelijk is voor het promoten van het gebruik ervan.
10. Elektronenenergieverliesspectroscopie: een spectroscopietechniek om de samenstelling van een monster en de bindingstoestand van zijn elementen te analyseren door de energie te meten die verloren gaat wanneer de invallende elektronenstraal de elektronen in het monster exciteert. Door deze techniek te combineren met scanning-transmissie-elektronenmicroscopie, is het mogelijk om minieme regio’s met hoge resoluties te analyseren.
11. Faraday-efficiëntie: het percentage van de totale elektrische stroom dat wordt overgebracht naar een systeem dat een elektrochemische reactie mogelijk maakt (in dit geval de productie van waterstof en waterstofperoxide).
12. Eerste principeberekening: een methode om de beweging van elektronen in een stof te berekenen, gebaseerd op Density Functional Theory. Hiermee kunnen de eigenschappen voor oppervlakte-energieabsorptie en de optimale structuur van een vaste stof of de deeltjes worden berekend.
13. Anode: in de elektrochemie, de elektrode waar de oxidatiereactie plaatsvindt
14. Kathode: in de elektrochemie, de elektrode waar de reductiereactie plaatsvindt
lees het gehele artikel bij de bron
Samenvatting: Waterstofproductie met behulp van zonlichtenergie (zon-watersplitsing) heeft veel aandacht gekregen in de zoektocht naar koolstofneutrale technologieën. Als chemische producten met toepassingen in de gezondheids- en voedingsindustrie tegelijkertijd met waterstof zouden kunnen worden geproduceerd, zou dit de kosten van het splitsen van zonne-water helpen verlagen en het toepassingsgebied van de technologie vergroten.
Datum van publicatie: 28 april 2022
Bron: Technologie | Top technologienieuws — ScienceDaily