Fotokatalyyttinen vesi jakaminen

Fotokatalyyttinen vesi jakaminen on keinotekoinen fotosynteesi prosessi fotolyysillä vuonna photoelectrochemical solussa käytetään dissosiaation vettä sen osien, vetyä ja happea, joko keinotekoista tai luonnollista valoa. Teoriassa vain aurinkoenergiaa, veden, ja katalyytti tarvitaan.

Vetypolttoaineen tuotanto on saanut lisääntynyt huomiota kuin öljyn ja muiden uusiutumattomien polttoaineiden yhä köyhdytettyä ja kallista. Menetelmiä, kuten fotokatalyyttisen veden jakaminen tutkitaan tuottaa vetyä polttoainetta, joka palaa puhtaasti ja sitä voidaan käyttää vety- polttokenno. Veden jakaminen pitää erityisen kiinnostavia, koska se käyttää vettä, edullinen uusiutuva luonnonvara. Fotokatalyyttinen veden jakaminen on yksinkertaisuus käyttäen jauhetta liuoksessa ja auringonvalo tuottaa H
2 ja O
2 vedestä ja voi tarjota puhdasta, uusiutuvaa energiaa, tuottamatta kasvihuonekaasuja tai ottaa monia haitallisia vaikutuksia ilmakehään.

Käsitteet

Kun H
2O on jaettu O
2 ja H
2, stoikiometrinen suhde sen tuotteiden on 2: 1:

Prosessi veden jakaminen on erittäin endoterminen reaktio. Veden jakaminen esiintyy luonnostaan ​​fotosynteesin, kun fotoni absorboituu energiaa ja muunnetaan kemiallista energiaa monimutkaisten biologisten kautta. Kuitenkin tuotanto vetyä vedestä vaatii paljon energiapanosta, joten se ole nykyisten energiantuotantoon. Tästä syystä useimmat tuotettu kaupallisesti vetykaasua on tuotettu maakaasusta.

On olemassa useita tiukkoja vaatimuksia fotokatalyyttiä olevan hyödyllisiä veden jakamista. Pienin mahdollinen ero tarvitaan jakaa vettä on 1.23V 0 pH. Koska vähintään bändi kuilu onnistuneen veden jakamista pH = 0 on 1,23 eV, vastaten valossa 1008 nm, sähkökemiallinen vaatimukset voivat teoriassa yltää alas infrapunavaloa, vaikkakin häviävän pieni katalyyttinen aktiivisuus. Nämä arvot ovat totta vain täysin palautuva reaktio standardi lämpötilassa ja paineessa.

Teoreettisesti infrapunavaloa on tarpeeksi energiaa jakaa vettä vedyksi ja hapeksi; kuitenkin, tämä reaktio on kineettisesti hyvin hidas, koska aallonpituus on suurempi kuin 380 nm: ssä. Potentiaali on oltava alle 3.0V tehdä tehokasta käyttöä energian esillä laajalti eri auringonvaloa. Vesi halkaisu voi siirtää maksuja, mutta ei voi välttää korroosion pitkän aikavälin vakauden. Vikojen kiteistä photocatalysts voi toimia rekombinaatiokohdat, lopulta alentaa tehokkuutta.

Käytetyt materiaalit fotokatalyyttistä veden jakaminen täyttää bändi esitettyjen vaatimusten aikaisemmin ja yleensä lisäaineiden ja / tai kokatalyyttejä lisätään niiden suorituskyvyn optimoinnissa. Näyte puolijohde kanssa oikea bändi rakenne on titaanidioksidi. Kuitenkin, koska suhteellisen positiivinen johtuminen bändi TiO
2, on vain vähän voima H
2 tuotanto, joten TiO
2 tyypillisesti käytetään kokatalyytin kuten platinan nostamiseksi H
2 tuotanto. Se on rutiinia lisätä kokatalyyttejä kannustaa H
2 evoluutio useimmissa photocatalysts johtuu johtuminen bändi sijoitus. Useimmat puolijohteet sopivilla bändi rakenteet jakaa vettä imeä enimmäkseen UV-valossa; jotta imeä näkyvää valoa, on tarpeen kaventaa bändi kuilu. Koska johtuminen bändi on melko lähellä vertailupotentiaalin H
2 muodostuminen, on edullista muuttaa valenssivyön siirtää sen lähemmäksi mahdollisten O-
2 muodostumista, koska siellä on enemmän luonnollinen ylijännitteen.

Photocatalysts voi kärsiä katalyytin rappeutuminen ja rekombinaatio käyttöolosuhteissa. Katalyytin hajoaminen tulee ongelma, kun käytetään sulfidia valokatalyytin, kuten kadmiumsulfidi, kuten sulfidi katalyytissä hapetetaan alkuainerikiksi samalla mahdollisuuksia käytetään jakamaan vettä. Siten, sulfidi-pohjainen valokatalyyttien eivät ole toteutettavissa ilman uhrautuvan reagensseja, kuten natriumsulfidia täydentää rikkiä menetetty, joka tehokkaasti muuttaa tärkein reaktio yhden vedyn kehittymisen vastakohtana veden jakaminen. Rekombinaatio elektroni-aukko parien tarvitaan fotolyysillä voi esiintyä mikä tahansa katalyytti, ja on riippuvainen vikoja ja pinta-ala katalyytin; Näin ollen, korkea kiteisyysaste on tarpeen, jotta vältetään rekombinaation vikoja.

Muuntaminen aurinkoenergian vedyn avulla fotolyysillä on yksi mielenkiintoisimmista tapoja saavuttaa puhtaan ja uusiutuvan energian järjestelmät. Mutta jos tämä prosessi on avustaa photocatalysts keskeytettiin suoraan veteen sijaan käyttää aurinkosähkön ja elektrolyysijärjestelmän reaktio on vain yhden askeleen, ja se voi siksi olla tehokkaampaa.

Arviointimenetelmä

Photocatalysts on noudatettava useita keskeisiä periaatteita, jotta voidaan pitää tehokkaasti veden jakaminen. Keskeinen periaate on, että H
2 ja O
2 kehitys olisi esiintyä stoikiometrinen 2: 1-suhteessa; Merkittävä poikkeama saattaa johtua virhe kokeellinen setup ja / tai sivu- reaktion, jotka molemmat eivät osoita luotettava fotokatalyyttiä veden jakamista. Prime mitta fotokatalyyttiä tehokkuus on kvanttisaanto, joka on:

Tämä määrä on luotettava määrittäminen kuinka tehokas fotokatalyyttiä on; kuitenkin, se voi olla harhaanjohtava eroavuuksista johtuen koeolosuhteissa. Voit auttaa verrattuna, nopeus kaasun kehittyminen voidaan myös käyttää; tämä menetelmä on ongelmallinen sen itsestään, koska se ei ole normalisoitu, mutta se voi olla hyödyllinen karkea vertailun ja on jatkuvasti raportoidaan kirjallisuudessa. Kaiken paras fotokatalyytti on korkea kvanttisaanto ja antaa korkea kaasun kehittymisen.

Toinen tärkeä tekijä fotokatalyyttiä on kevyitä imeytyy; vaikka UV-pohjainen photocatalysts toimii paremmin kohti fotoni kuin näkyvän valon-pohjainen photocatalysts johtuen suuremmasta fotonin energia, paljon näkyvää valo saavuttaa maan pinnalla kuin UV-valossa. Siten tehottomampi fotokatalyyttiä joka imee näkyvää valoa saattaa lopulta olla enemmän hyötyä kuin tehokkaampi fotokatalyyttiä absorboivat yksinomaan valoa pienemmillä aallonpituuksilla.

Photocatalyst järjestelmät

NaTaO
3: La

NaTaO
3: La tuottaa korkeimmalla veden jakosuhteen ollessa photocatalysts ilman uhrautuvaa reagensseja. Tämä UV-valokatalyytin osoitettiin olevan erittäin tehokkaita veden jakaminen määrien 9,7 mmol / h ja kvanttisaanto 56%. Nanostep materiaalin rakenteesta edistää veden jakaminen niin reunat toimi H
2 tuotantolaitosta ja urat toimi O
2 tuotantolaitoksia. Lisäämällä NiO hiukkasten kokatalyytteinä avustaa H
2 tuotanto; tämä vaihe tehtiin käyttämällä kyllästys menetelmää vesiliuoksen kanssa Ni
2 • 6H
2O ja haihduttamalla liuos läsnä ollessa fotokatalyyttiä. NaTaO
3 on johtuminen bändi suurempi kuin NiO, joten photogenerated elektroneja helpommin siirretään johtuminen bändi NiO H
2 evoluutio.

K
3TA
3B
2O
12

K
3TA
3B
2O
12, toinen katalyytti aktivoidaan ainoastaan ​​UV-valon ja yläpuolella, ei ole suorituskykyä tai kvanttisaanto NaTaO
3: La. Se ei kuitenkaan ole kykyä jakaa vettä ilman apua kokatalyyttejä ja antaa kvanttisaanto 6,5% yhdessä veden jakosuhteen ollessa 1,21 mmol / h. Tämä kyky johtuu pylväiden rakenteen fotokatalyyttiä, joka liittyy TaO
6 pilaria yhdistetty BO
3 kolmio yksikköä. Lastausta NiO eivät auttaneet fotokatalyytin johtuen erittäin aktiivinen H
2 evoluutio sivustoja.

on korkein kvanttisaanto näkyvän valon näkyvän valon-pohjainen photocatalysts jotka eivät käytä uhrautuvan reagenssien lokakuusta 2008. fotokatalyytti antaa kvanttisaanto 5,9% yhdessä veden jakosuhteen ollessa 0,4 mmol / h. Tuning katalyytti tehdä lisäämällä kalsinointilämpötiloilla Lopullisessa vaiheessa syntetisointi katalyytin. Lämpötila jopa 600 ° C auttanut vähentämään virheitä, vaikka lämpötila on yli 700 ° C tuhosi paikallisen rakenteen ympärillä sinkin atomien ja oli siten toivottuja. Käsittely lopulta vähensi pinta Zn- ja O-vikoja, jotka normaalisti toimivat rekombinaatiokohdat, mikä rajoittaa fotokatalyyttinen aktiivisuus. Sitten katalyytti ladattiin Rh
2-yCr
yO
3 nopeudella 2,5 paino-% Rh ja 2 paino-% Kr jolloin saadaan paras suorituskyky.

Pt / TiO
2

TiO
2 on erittäin tehokas fotokatalyyttiä, koska se tuottaa sekä korkea kvanttiluku ja korkea H
2 kaasu evoluutio. Esimerkiksi, Pt / TiO2 on katalysaattori käyttää vedessä halkaisu. Nämä photocatalysts yhdistyvät ohuella NaOH vesikerros tehdä ratkaisu, joka voi jakaa vettä H
2 ja O
2. TiO
2 absorboi vain ultraviolettivaloa, koska sen suuren aukon, mutta päihittää useimmat näkyvää valoa photocatalysts koska se ei photocorrode yhtä helposti. Useimmat keraamiset materiaalit on suuret bändi aukkoja ja näin ollen vahvempi kovalenttisidoksia kuin muita puolijohteita pienemmillä bändi aukkoja.

Koboltti pohjaiset järjestelmät

Photocatalysts perustuu koboltti on raportoitu. Jäsenet ovat tris koboltti, yhdisteet koboltin liitettiin tiettyihin syklistä polyamiinit, ja tietyt cobaloximes.

Vuonna 2014 tutkijat julkaisivat lähestymistapa, joka yhdisti kromoforin osa suurempaa orgaanista rengas, joka ympäröi koboltti atomi. Prosessi on tehottomampi kuin käyttämällä platinakatalyytin, koboltti on halvempaa, mahdollisesti vähentää kokonaiskustannuksia. Prosessi käyttää yhtä kahdesta supramolekulaaristen kokoonpanojen perusteella Co-malleihin koordinointi Ru32 + analogien valoherkistiminä ja elektroni avunantajia cobaloxime makrosyklin. Co saavuttaneet sekä kokoonpanot ovat korkeat spin, toisin kuin useimmissa aiemmin kuvattu cobaloximes. Ohimenevä imeytyminen optinen spectroscopies kuuluvat että maksu rekombinaatio tapahtuu läpi useita ligandia valtioiden läsnä valoherkisteen moduulit.

Vismutti

Vismutti perustuvia järjestelmiä on osoitettu olevan tehokkuutta 5%: n etuna on hyvin yksinkertainen ja halpa katalyytti.

Edellinen artikkeli Fenoliuutto
Seuraava artikkeli Flageolet Player Cliff