Во время искусственного фотосинтеза кислород (O2) вырабатывается фотокатализатором в результате реакции расщепления воды. Работая с исследователями из Университета Канадзавы, Университета Синсю и Токийского университета, профессор ONISHI Hiroshi et al. из Высшей школы науки Университета Кобе разработал метод оценки измерений, который позволяет обнаруживать O2 в 1000 раз быстрее, чем обычные методы. Есть надежда, что метод, разработанный в ходе этого исследования, может быть использован для улучшения нашего понимания механизмов реакции, лежащих в основе искусственного фотосинтеза, и внесения вклада в разработку фотокатализаторов, которые могут быть реализованы в реальном мире.
Была признана важность как можно скорее обнародовать результаты этих исследований; статья, опубликованная в журнале ACS Catalysis Американского химического общества, была представлена в расширенном онлайн-выпуске 29 октября 2020 г.
Предпосылки исследования
Искусственный фотосинтез, который можно использовать для производства химической энергии (водородное топливо) из солнечного света и воды, получил большое внимание из-за его способности обеспечивать источник энергии, который не выделяет CO2.
Фотокатализаторы – ключевой компонент искусственного фотосинтеза. Первый фотокатализатор был открыт и разработан японскими исследователями в 1970-х годах, и ученые всего мира постоянно стремились повысить свою эффективность в течение последних 50 лет.
В текущем исследовании использовался фотокатализатор титанат стронция (SrTiO3), который первоначально был разработан профессором по специальному контракту DOMEN Kazunari et al. Университета Шиншу (участвовавший в исследовании).
В результате различных улучшений, внесенных доцентом Shinshu HISATOMI Takashi et al. (также участвовавший в исследовании), этот фотокаталитический материал показал самый высокий выход реакции (i.е. эффективность преобразования водорода из воды посредством освещения ультрафиолетовым светом) в мире. Последний нерешенный вопрос – это повышение эффективности производства водорода из воды и солнечного света вместо искусственного ультрафиолетового света.
Преодоление этой проблемы означало бы рождение технологии производства водородного топлива без выбросов CO2, которое могло бы использоваться обществом.
Однако одним из факторов, препятствующих усилиям по повышению эффективности преобразования, является низкая скорость образования кислорода из воды, когда также производится водород. Чтобы получить водород (H2) из воды (H2O) посредством искусственного фотосинтеза, должна иметь место следующая химическая реакция: 2H2O -> 2H2 + O2.
Несмотря на то, что целью является производство водорода (который может использоваться обществом в качестве топлива), а не кислорода, принципы химии требуют, чтобы кислород одновременно производился из воды, чтобы производить водород.
Кроме того, процесс производства кислорода более сложен, чем процесс производства водорода, что, следовательно, затрудняет повышение эффективности реакции (атомы кислорода, взятые из 2 частиц H2O, должны прилипать друг к другу.). Это узкое место, которое ограничивает эффективное преобразование водорода из воды с использованием солнечного света.
Решением было бы повысить эффективность преобразования кислорода из воды, однако это непростой вопрос. Не совсем понятно, как кислород образуется из воды (я.е. механизм реакции), поэтому попытки улучшить эту реакцию сродни работе в темноте. Чтобы пролить свет на ситуацию, это исследование было направлено на разработку метода высокоскоростного обнаружения для наблюдения за кислородом, генерируемым искусственным фотосинтезом, чтобы выявить механизм реакции воды на кислород.
Методология исследования
В этом исследовании использовался метод подводного химического анализа с использованием микроэлектрода, разработанный профессором Университета Канадзавы Такахаши Ясуфуми и др. (участвующий исследователь) в качестве базовой технологии.
Кислород, образующийся из фотокатализатора искусственного фотосинтеза, был обнаружен, когда он снова слился с водой. Панель фотокатализатора титанита стронция была погружена в воду.
Микроэлектрод, который состоял из платиновой проволоки диаметром 20 мкм (около ¼ человеческого волоса), покрытые стеклом по бокам, опускали в воду на расстоянии 100 микрометров от поверхности фотокаталитической панели.
Когда панель фотокатализатора освещалась ультрафиолетовым светом (с длиной волны 280 нм) от светодиода, кислород (O2) и водород (H2) диссоциировали из воды, где он контактировал с панелью. Эти молекулы кислорода и водорода впоследствии попали в воду. Освободившийся кислород разлетелся по воде и достиг микроэлектрода.
Кислород, достигший микроэлектрода, получил от электрода 4 электрона (e-), что привело к следующему преобразованию: O2 + 2H2O + 4e- -> 4OH-.
Количество электронов, полученных от электрода кислородом, можно определить путем измерения электрического тока, проходящего через электрод.
Измерение электрического тока, проходящего через электрод каждые 0.1 секунда позволила исследователям рассчитать количество кислорода, которое достигало электрода каждые 0 секунд.1 секунда. Газохроматографическое обнаружение, аналитический прибор, используемый для обнаружения кислорода до сих пор, может измерять количество кислорода только каждые 3 минуты. В этом исследовании удалось разработать метод обнаружения, который в 1000 раз быстрее.
Расчет времени, необходимого для прохождения кислородом расстояния 100 микрометров через воду от панели фотокатализатора до электрода, несложно. Это может быть достигнуто путем проведения численного моделирования на настольном компьютере на основе законов диффузии Фика. Сравнение результатов измерения, полученных на микроэлектроде, с результатами моделирования показало, что между освещением панели фотокатализатора УФ-светом и выделением кислорода в воду была задержка 1-2 секунды. Эта задержка – новое явление, которое невозможно наблюдать с помощью газохроматографического обнаружения.
Считается, что эта задержка является необходимой подготовительной стадией для того, чтобы освещенный фотокатализатор начал расщепление воды. Будущие исследования будут стремиться проверить эту гипотезу в дополнение к изучению того, что фотокатализатор делает на подготовительном этапе.
Тем не менее ожидается, что метод обнаружения кислорода, разработанный в этом исследовании, который в 1000 раз быстрее, чем предыдущие методы обнаружения, приведет к новым разработкам в области искусственного фотосинтеза.