Постоянно обостряющийся глобальный экологический кризис вкупе с истощением ископаемых видов топлива побудили ученых искать чистые источники энергии. Водород (H2) может служить экологически чистым топливом, а производство водорода стало горячей темой исследований.
Хотя до сих пор никто не нашел энергоэффективного и доступного способа производства водорода в больших масштабах, прогресс в этой области устойчив, и были предложены различные методы.
Один из таких методов включает использование света и катализаторов (материалов, ускоряющих реакции) для разделения воды (H2O) на водород и кислород. Катализаторы имеют кристаллическую структуру и способность разделять заряды на границах раздела между некоторыми из своих сторон.
Когда свет падает на кристалл под определенными углами, энергия света поглощается кристаллом, в результате чего определенные электроны освобождаются от своих первоначальных орбит вокруг атомов в материале. Когда электрон покидает свое первоначальное место в кристалле, в структуре создается положительно заряженная вакансия, известная как дырка. Как правило, эти «возбужденные» состояния длятся недолго, и свободные электроны и дырки в конечном итоге рекомбинируют.
То же самое и с кристаллическими катализаторами ванадата висмута (BiVO4).
BiVO4 недавно был исследован на предмет реакций расщепления воды, учитывая его многообещающую роль в качестве материала, в котором может происходить разделение зарядов при возбуждении видимым светом. Быстрая рекомбинация пар заряженных объектов («носителей») является недостатком, поскольку носители должны по отдельности участвовать в реакциях, расщепляющих воду.
В недавнем исследовании, опубликованном в журнале Chemical Engineering Journal, ученые из Международного исследовательского центра фотокатализа при Токийском научном университете, Япония, вместе с учеными из Северо-восточного педагогического университета в Китае разработали новый метод улучшения характеристик разделения заряда декаэдрических (десяти -сторонние) Кристаллические катализаторы BiVO4. Профессор Терашима, ведущий научный сотрудник исследования, поясняет: «Недавние исследования показали, что носители могут генерироваться и разделяться на границах раздела между различными гранями определенных кристаллов. Однако в случае BiVO4 силы, разделяющие носители, слишком малы для электронно-дырочных пар, которые генерируются немного вдали от границ раздела.
Таким образом, разделение носителей в декаэдрах BiVO4 потребовало дальнейших улучшений, что побудило нас провести это исследование."
В предлагаемой ими методике нанокристаллы BiVO4 подвергаются воздействию так называемого «плазменного разряда раствора» – сильно заряженной струи энергетического вещества, которая создается путем приложения высокого напряжения между двумя терминалами, погруженными в воду. Плазменный разряд удаляет часть атомов ванадия (V) с поверхности определенных граней кристаллов, оставляя вакансии ванадия.
Эти вакансии действуют как «ловушки для электронов», которые способствуют большему разделению носителей. Поскольку этих вакансий больше на восьми боковых гранях декаэдра, электроны захватываются на этих гранях, а дырки накапливаются на верхней и нижней гранях. Это увеличенное разделение зарядов приводит к улучшенным каталитическим характеристикам нанокристаллов BiVO4, тем самым улучшая их характеристики расщепления воды.
Это исследование представляет собой новое использование плазменного разряда в растворе для улучшения свойств кристаллов. Профессор Акира Фудзисима, соавтор статьи, говорит: «Наша работа вдохновила нас пересмотреть другие кристаллы, которые явно неэффективны для расщепления воды. Это многообещающая стратегия с использованием плазменного раствора для их «активации».«Использование плазменного разряда имеет много преимуществ по сравнению с использованием обычной газовой плазмы, что делает его гораздо более привлекательным как с технической, так и с экономической точки зрения.
Профессор Синьтун Чжан из Северо-восточного педагогического университета, Китай, отмечает: «В отличие от газовой плазмы, которая должна генерироваться в закрытых камерах, плазму раствора можно генерировать в открытом реакторе при комнатной температуре и в нормальной воздушной атмосфере. Кроме того, работая с кристаллическими порошками в растворе, становится удобнее изменять параметры процесса, а также легче масштабировать."
Мы надеемся, что это исследование приблизит нас на один шаг к эффективному способу производства водорода, чтобы мы, наконец, смогли обойтись без ископаемого топлива и других источников энергии, которые вредны для нашей планеты. Далее, комментируя обещание этого исследования, профессор Терасима говорит: «Если эффективная водородная энергия может быть произведена с использованием солнечного света и воды, двух самых богатых ресурсов на Земле, мечта о чистом обществе может быть реализована."