Naukowcy z Oregon State University stworzyli wysoce wydajny fotokatalizator, który może szybko wytwarzać wodór ze światła słonecznego i wody. Katalizator ten, opracowany w wyniku połączenia struktur metaloorganicznych i tlenków metali, stanowi znaczący postęp w produkcji czystej energii. Daje nadzieję na ograniczenie emisji gazów cieplarnianych i zapewnienie zrównoważonej alternatywy dla tradycyjnych metod produkcji wodoru, które opierają się na paliwach kopalnych.
Naukowcy z Oregon State University opracowali nowy fotokatalizator, który wydajnie wytwarza wodór ze światła słonecznego i wody, oferując zrównoważoną i potencjalnie opłacalną alternatywę dla tradycyjnych metod produkcji wodoru w oparciu o paliwa kopalne.
Naukowcy z Oregon State University stworzyli materiał o niezwykłej zdolności przekształcania światła słonecznego i wody w czystą energię.
W ramach współpracy prowadzonej przez Kyriakosa Stylianou z OSU College of Science stworzono fotokatalizator umożliwiający szybką i wydajną produkcję wodoru wykorzystywanego w ogniwach paliwowych samochodów, a także do produkcji wielu substancji chemicznych, w tym amoniaku, w rafinacji metali i przy wytwarzaniu tworzyw sztucznych.
Odkrycia stanowią potencjalne nowe narzędzie do wykorzystania w walce z emisją gazów cieplarnianych i zmianami klimatycznymi, powiedział Stylianou, którego badania koncentrują się na krystalicznych, porowatych materiałach znanych jako struktury metaloorganiczne, zwykle w skrócie MOF-y. Zbudowane z dodatnio naładowanych jonów metali otoczonych organicznymi cząsteczkami „łącznika”, MOF mają pory o wielkości nano i regulowane właściwości strukturalne. Można je zaprojektować z różnymi komponentami, które określają właściwości MOF.
Rozszczepianie wody poprzez fotokatalizę. Źródło: Kyriakos Stylianou
W tym badaniu naukowcy wykorzystali MOF do uzyskania heterozłącza tlenku metalu – połączenia dwóch materiałów o uzupełniających się właściwościach – w celu wytworzenia katalizatora, który pod wpływem światła słonecznego szybko i skutecznie rozkłada wodę na wodór. Heterozłącze, które nazywają RTTA, składa się z tlenku rutenu pochodzącego z MOF i tlenku tytanu domieszkowanych siarką i azotem. Przetestowali wiele RTTA z różnymi ilościami tlenków i znaleźli wyraźnego zwycięzcę.
Wgląd w proces fotokatalityczny
„Spośród różnych materiałów RTTA, RTTA-1, o najniższej zawartości tlenku rutenu, wykazywał najszybsze tempo produkcji wodoru i wysoką wydajność kwantową” – powiedział Stylianou.
Zauważył, że w ciągu zaledwie godziny z grama RTTA-1 można wytworzyć ponad 10 700 mikromoli wodoru. W procesie tym wykorzystano fotony – lekkie cząstki – w imponującym tempie 10%, co oznacza, że na każde 100 fotonów, które uderzyły w RTTA-1, 10 przyczyniło się do produkcji wodoru.
„Niezwykła aktywność RTTA-1 wynika z synergicznego działania właściwości tlenków metali i właściwości powierzchni macierzystego MOF, które zwiększają transfer elektronów” – powiedział Stylianou. „Badanie to podkreśla potencjał heterozłączy tlenków metali pochodzących z MOF jako fotokatalizatorów do praktycznej produkcji wodoru, przyczyniając się do rozwoju zrównoważonych i wydajnych rozwiązań energetycznych”.
Produkcja wodoru poprzez rozkład wody w procesie katalitycznym jest czystsza niż konwencjonalna metoda otrzymywania wodoru z gazu ziemnego w procesie wytwarzania dwutlenku węgla, znanym jako reforming metanowo-parowy.
Obecne procesy katalityczne wytwarzania wodoru z wody obejmują elektrokatalizę – przepuszczanie prądu elektrycznego przez katalizator. Trwałość elektrokatalizy zależy od wykorzystania energii odnawialnej, a aby była konkurencyjna na rynku, energia musi być niedroga.
Obecnie w wyniku reformingu metanu i pary wodnej wytwarzany jest wodór, którego koszt wynosi około 1,50 dolara za kilogram w porównaniu do około 5 dolarów za kilogram w przypadku zielonego wodoru.
„Woda jest obfitym źródłem wodoru, a fotokataliza oferuje metodę wykorzystania obfitej energii słonecznej Ziemi do produkcji wodoru” – powiedział Stylianou. „Tlenek rutenu nie jest tani, ale jego ilość w naszym fotokatalizatorze jest minimalna. W zastosowaniach przemysłowych, jeśli katalizator wykazuje dobrą stabilność i powtarzalność, koszt tej małej ilości tlenku rutenu staje się mniej istotny.
Odniesienie: „Boosting Photocatalytic Hydrogen Production by MOF-derived Metal Oxide Heterojunctions with a 10.0% Apparent Quantum Yield” autorstwa Emmanuela N. Musy, Ankita K. Yadava, Kyle’a T. Smitha, Min Soo Junga, Williama F. Stickle’a, Petera Eschbacha, Xiulei Ji i Kyriakos Stylianou, 10 lipca 2024 r., Wydanie międzynarodowe Angewandte Chemie.
DOI: 10.1002/anie.202405681
Badanie zostało sfinansowane przez Wydział Chemii OSU, nagrodę OSU College of Science Industry Partnership Award oraz Briana i Marilyn Kleinerów.
