Unbekannt! Chinesische Wissenschaftler enthüllen die „magische Magie“ der solaren photokatalytischen Wasserstoffproduktion

Durch solare photokatalytische Reaktionen kann Wasser gespalten werden, um Wasserstoff zu erzeugen, und Kohlendioxid reduziert werden, um „Solartreibstoff“ zu erzeugen. Wie die magische „Magie“ des Sonnenlichts verwirklicht werden kann, war schon immer ein schwieriges Problem auf dem Gebiet der Wissenschaft. Kürzlich kamen gute Nachrichten von der Chinesischen Akademie der Wissenschaften: Das Forschungsteam unter der Leitung des Akademikers Li Can und des Forschers Fan Fengtao vom Dalian-Institut für Chemische Physik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (im Folgenden als „Dalian-Institut für Chemische Physik“ bezeichnet) hat erfolgreich aufgedeckt dieses Rätsel und „fotografierte“ die fotogenerierte Ladungsübertragungsentwicklung in vollständigen Raum-Zeit-Bildern. Relevante Forschungsergebnisse wurden am 12. Oktober in der internationalen Fachzeitschrift „Nature“ veröffentlicht.

Die zentrale wissenschaftliche Herausforderung der photokatalytischen Wasserspaltung besteht darin, eine effiziente Trennung und einen effizienten Transport der photogenerierten Ladungen zu erreichen. „Im Prozess der Photokatalyse müssen photogenerierte Elektronen und Löcher aus dem Inneren von Mikro-Nanopartikeln getrennt und auf die Oberfläche des Katalysators übertragen werden, um die chemische Reaktion zu starten.“ Fan Fengtao führte aus, dass es äußerst schwierig sei, den mikroskopischen Mechanismus dieses Prozesses zu entschlüsseln, da sich dieser Prozess von Femtosekunden bis zu Sekunden, von Atomen bis zu Mikrometern erstreckt.

„Unser Team arbeitet seit langem an der Lösung dieses Problems. In dieser Arbeit haben wir unter Einbeziehung einer Vielzahl fortschrittlicher Technologien und Theorien den gesamten Prozess der Trennung und Übertragung der photogenerierten Ladungen in Nanopartikeln im gesamten Raum-Zeit-Raum verfolgt.“ Domäne. "Sagte Li Can.

Laut Li Can durch die Integration einer Vielzahl fortschrittlicher Charakterisierungstechniken und theoretischer Simulationen, darunter zeitaufgelöste Photoemissionselektronenmikroskopie (Femtosekunden bis Nanosekunden), transiente Oberflächenphotospannungsspektroskopie (Nanosekunden bis Mikrosekunden) und Oberflächenphotospannungsmikroskopie (Mikrosekunden von Sekunde zu Sekunde). usw., wie ein Staffellauf, zum ersten Mal in einem Photokatalysatorpartikel, um den gesamten Mechanismus von Elektronen und Löchern zu verfolgen, die das Oberflächenreaktionszentrum erreichen.

Die Fähigkeit, den Ladungstransfer in Zeit und Raum zu verfolgen, wird das Verständnis komplexer Mechanismen im Energieumwandlungsprozess erheblich fördern und neue Ideen und Forschungsmethoden für das rationelle Design von Photokatalysatoren mit besserer Leistung liefern. „Diese Errungenschaft soll in Zukunft die Anwendung der solaren photokatalytischen Wasserspaltung zur Herstellung von ‚Solartreibstoff‘ im wirklichen Leben fördern, Träume schrittweise in die Realität umsetzen und saubere und grüne Energie für unsere Produktion und unser Leben bereitstellen“, sagte Li Can.

Es gibt drei typische technische Wege der solaren Wasserspaltung zur Herstellung von Wasserstoff, nämlich die photovoltaisch unterstützte Elektrolyse von Wasser, die photokatalytische Wasserspaltung und die photokatalytische Wasserspaltung. Darunter die photovoltaisch unterstützte Elektrolyse von Wasser, also die Nutzung von durch Photovoltaik erzeugtem Ökostrom zur Elektrolyse von Wasser zur Herstellung von grünem Wasserstoff.

Am einfachsten und wirtschaftlichsten ist es, Photokatalysatoren zur solaren Wasserspaltung zur Herstellung von Wasserstoff einzusetzen. Der Geräteaufbau ist einfacher, die Gesamtkosten sind günstig und die Skalierung ist einfach. Diese Technologie begann im Jahr 1972, als zwei Professoren, Fujishima A und Honda K von der Universität Tokio, erstmals berichteten, dass TiO2-Einkristallelektroden Wasser photokatalytisch zersetzen und Wasserstoff erzeugen Wasserstoff Möglichkeit, eröffnete den Forschungsweg der Wasserstoffproduktion durch Photolyse von Wasser unter Nutzung von Sonnenenergie. Zu den Photokatalysatoren, die derzeit ins Blickfeld der Wissenschaftler rücken, gehören Tantalate, Niobate, Titanate und Polysulfide.

Neben der Suche nach Katalysatoren ist auch die Frage, wie eine effiziente Trennung und ein effizienter Transport photogenerierter Ladungen erreicht werden können, ein wichtiger Teil. Die Entdeckung des Dalian Institute of Chemical Physics spielt eine große Rolle bei der Förderung der photokatalytischen Wasserstoffproduktion.