De ware rol van metaalco-catalysatoren onthuld: revolutie in de fotokatalytische waterstofproductie

AmsterdamOnderzoek onder leiding van Toshiki Sugimoto heeft met behulp van operando FT-IR spectroscopie en een Michelson-interferometer het gedrag van fotokatalysatoren tijdens waterstofproductie bestudeerd. De onderzoekers ontdekten dat elektronen die zich rond de randen van de cocatalysatoren ophopen, een cruciale rol spelen in het proces, in tegenstelling tot de vrije elektronen in de metalen delen van de cocatalysatoren. Deze bevinding zet eerdere aannames over de werking van fotokatalyse op losse schroeven.

Title: Nieuwe inzichten in fotokatalyse: rand-elektronen blijken cruciaal

Sinds wetenschappers in 1972 voor het eerst het foto-elektrochemische waterstofontledingsproces ontdekten, bestuderen zij heterogene fotokatalyse. Om betere katalysatoren te ontwikkelen voor waterstofproductie, is het essentieel om reactieve elektronen en actieve plaatsen tijdens fotokatalytische reductiereacties te begrijpen. Het is echter moeilijk om signalen van deze fotogeactiveerde reactieve elektronen te detecteren en te scheiden. Sterke achtergrondsignalen van niet-reactieve elektronen, die door hitte worden opgewekt, verbergen vaak de zwakkere signalen van de reactieve elektronen.

Onderzoekers van het Instituut voor Moleculaire Wetenschap en SOKENDAI hebben een grote doorbraak bereikt. Door de timing van licht-geactiveerde reacties in fotokatalysatoren af te stemmen met een Michelson-interferometer, konden ze signalen van elektronen die niet reageerden negeren. Hierdoor konden ze duidelijk de elektronen observeren die hielpen bij de productie van waterstof.

Belangrijke bevindingen omvatten:

• Metalen cocatalysatoren fungeren niet als opvangbakken voor reactieve fotogegenereerde elektronen.
• Vrije elektronen in metalen cocatalysatoren spelen geen directe rol in de reductiereactie.
• Metalen geïnduceerde oppervlaktetoestanden op halfgeleiders, vooral aan de randen, zijn essentieel voor fotokatalytische productie van waterstof.

Lees ook:

Vandaag · 02:56

Verrassende smaken: nieuwe fruitige draai aan kombucha

Dit verandert ons begrip van de rol van metalen cocatalysatoren in fotokatalyse en biedt een nieuwe manier om metaal/oxide-grenzen te ontwerpen voor waterstofproductie zonder hitte. De mogelijke voordelen zijn aanzienlijk. Het zou kunnen leiden tot betere katalysatorontwerpen die de nieuw erkende belang van in-gap en oppervlaktetoestanden benutten. Bovendien zou deze nieuwe infraroodspectroscopiemethode, toegepast tijdens reacties, kunnen worden ingezet voor andere systemen die op licht of elektriciteit werken.

Recente onderzoeken in fotokatalyse benadrukken nu het belang van oppervlakteeigenschappen en lokale elektronische structuren in plaats van enkel naar de algemene materiaaleigenschappen te kijken. Toestanden veroorzaakt door metalen nabij het oppervlak van halfgeleiders kunnen de manier waarop reacties plaatsvinden en hun efficiëntie aanzienlijk beïnvloeden. Deze gedetailleerde benadering kan helpen bij het creëren van nauwkeurigere en effectievere katalysatoren voor duurzame energie.

Het gebruik van gesynchroniseerde FT-IR spectroscopie kan de manier waarop we verschillende katalytische processen bestuderen en begrijpen, veranderen. Dit kan helpen bij het identificeren van factoren die de prestaties van katalysatoren verbeteren, wat bijdraagt aan de ontwikkeling van milieuvriendelijke energieoplossingen voor de toekomst.

De bevindingen tonen een verschuiving naar een nauwkeurigere en gedetailleerdere beheersing van katalysatoroppervlakken. Deze vooruitgang brengt de wetenschap dichterbij het realiseren van waterstof als een bruikbare en milieuvriendelijke energiebron.