Neues Hydrogel-Nanokomposit für die Massenproduktion von Wasserstoff
"Diese Studie stellt einen großen Fortschritt auf dem Gebiet der Photokatalyse dar und zeigt das Potenzial der grünen Wasserstoffproduktion auf See mit einer Leistung von Weltklasse"
Ein Forschungsteam unter der Leitung von Prof. HYEON Taeghwan am Center for Nanoparticle Research des Institute for Basic Science (IBS) in Seoul, Südkorea, hat eine neue photokatalytische Plattform für die Massenproduktion von Wasserstoff entwickelt. Die Studie der Gruppe über die photokatalytische Plattform führte zur Entwicklung einer schwimmfähigen photokatalytischen Matrix, die eine effiziente Wasserstoffentwicklungsreaktion mit deutlichen Vorteilen gegenüber herkömmlichen Wasserstoffproduktionsplattformen wie Folien oder Platten ermöglicht.
Schwimmfähige photokatalytische Plattformen haben eindeutige Vorteile bei der Wasserstoffentwicklungsreaktion, und zwar in Bezug auf effiziente Lichtzufuhr, einfache Gastrennung, erhöhte Oberflächenspannung, stabile Katalysatorimmobilisierung, unterdrückte Rückoxidation (Rückreaktion) und einfache Wasserversorgung.
Institute for Basic Science
A. Schwimmfähige photokatalytische Plattformen bestehen aus Doppelschichtstrukturen, einer photokatalytischen Schicht und einer Trägerschicht. B. Die poröse Struktur der Plattform. C. Die poröse Struktur der Plattform zeichnet sich durch ihre Schwimmfähigkeit aus.
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Die Bedeutung alternativer Energien hat in letzter Zeit aufgrund globaler Herausforderungen wie Umweltverschmutzung und Klimawandel zugenommen. Unter den verschiedenen Kandidaten für alternative Energiequellen ist die durch Photokatalyse gewonnene Wasserstoffenergie aufgrund ihrer nachhaltigen grünen Energieerzeugung besonders hervorzuheben. Dementsprechend wurde viel geforscht und entwickelt, um die intrinsische Reaktionseffizienz von Photokatalysatoren zu verbessern. Der Formfaktor photokatalytischer Systeme, der für ihre praktische Anwendung und Kommerzialisierung von entscheidender Bedeutung ist, wurde jedoch noch nicht aktiv erforscht.
Bei den derzeitigen Systemen werden Katalysatorpulver oder -nanopartikel in der Regel auf verschiedenen Oberflächen fixiert, z. B. in Form von Partikelblättern, Folien oder flachen Platten, die unter Wasser getaucht werden. Sie haben auch mit praktischen Problemen zu kämpfen, wie dem Auslaugen von Katalysatoren, schlechtem Stoffaustausch und Rückreaktionen. Außerdem sind zusätzliche Vorrichtungen erforderlich, um den erzeugten Wasserstoff vom Wasser zu trennen und zu sammeln, was die Komplexität des Geräts erhöht und die Kosten steigert.
Das Team am Center for Nanoparticle Research des IBS unter der Leitung von Prof. Hyeon hat eine neuartige photokatalytische Plattform entwickelt, die auf dem Wasser schwimmt und eine effiziente Wasserstoffproduktion ermöglicht. Diese neue Plattform hat eine Doppelschichtstruktur, die aus einer oberen photokatalytischen Schicht und einer unteren Trägerschicht besteht. Beide Schichten bestehen aus einem porösen Strukturpolymer, das der Plattform eine hohe Oberflächenspannung verleiht. Darüber hinaus wird die Plattform in Form eines Kryo-Aerogels hergestellt, einer festen Substanz, die mit Gas gefüllt ist und eine geringe Dichte aufweist. Infolgedessen kann dieses mit Photokatalysatoren versehene Elastomer-Hydrogel auf Wasser schwimmen.
Diese Plattform bietet klare Vorteile bei der photokatalytischen Wasserstoffentwicklung: Erstens wird die Lichtabschwächung durch Wasser verhindert, was zu einer effizienten Umwandlung der Sonnenenergie führt. Zweitens kann das Produkt, Wasserstoffgas, leicht in die Luft diffundieren, wodurch umgekehrte Oxidationsreaktionen vermieden werden und eine hohe Reaktionsausbeute erhalten bleibt. Drittens kann das Wasser aufgrund der Porosität der Elastomer-Hydrogel-Matrix leicht zu den Katalysatoren geleitet werden. Und schließlich sind die Katalysatoren in der Matrix stabil immobilisiert, so dass ein langfristiger Betrieb ohne Auslaugprobleme möglich ist.
Die Forscher wiesen experimentell nach, dass die schwimmfähige Plattform im Vergleich zur herkömmlichen getauchten Plattform eine bessere Wasserstoffentwicklung ermöglicht. Darüber hinaus wurde die Skalierbarkeit der Plattform, die für eine potenzielle industrielle Nutzung unerlässlich ist, auch unter natürlichem Sonnenlicht nachgewiesen. Es wurde bestätigt, dass mit der schwimmfähigen photokatalytischen Plattform unter Verwendung von Kupfereinzelatom- und Titandioxid-Katalysatoren mit einer Fläche von 1 m2 etwa 80 ml Wasserstoff erzeugt werden können. Selbst nach zweiwöchigem Betrieb in Meerwasser, das verschiedene Mikroorganismen und Schwebstoffe enthält, war die Wasserstoffentwicklungsleistung der Plattform nicht beeinträchtigt.
Prof. Kim erklärt: "Die vorgeschlagene Plattform kann sogar Wasserstoff aus Lösungen erzeugen, die Haushaltsabfälle wie Flaschen aus Polyethylenterephthalat auflösen. Folglich kann die Plattform eine Lösung für das Recycling von Abfällen sein, was zu einer umweltfreundlichen Gesellschaft beiträgt".
Diese Studie stellt eine verallgemeinerte Plattform für eine effiziente Photokatalyse vor, die nicht nur auf die Wasserstoffproduktion beschränkt ist. Es ist möglich, die katalytische Komponente für verschiedene gewünschte Anwendungen auszutauschen, ohne die Eigenschaften des schwimmfähigen Aerogelmaterials der gesamten Plattform zu verändern. Dies garantiert die breite Anwendbarkeit der Plattform für andere photokatalytische Reaktionen, wie die Sauerstoffentwicklung, die Wasserstoffperoxidproduktion und die Erzeugung verschiedener organischer Verbindungen.
"Diese Studie stellt einen großen Fortschritt auf dem Gebiet der Photokatalyse dar und zeigt das Potenzial einer umweltfreundlichen Wasserstoffproduktion auf See mit einer Leistung von Weltklasse. Die besonderen Materialeigenschaften, die hohe Leistung und die breite Anwendbarkeit unserer Plattform auf dem Gebiet der Photokatalyse werden zweifellos ein neues Kapitel in der alternativen Energie aufschlagen", sagte Prof. Hyeon.
Hinweis: Dieser Artikel wurde mit einem Computersystem ohne menschlichen Eingriff übersetzt. LUMITOS bietet diese automatischen Übersetzungen an, um eine größere Bandbreite an aktuellen Nachrichten zu präsentieren. Da dieser Artikel mit automatischer Übersetzung übersetzt wurde, ist es möglich, dass er Fehler im Vokabular, in der Syntax oder in der Grammatik enthält. Den ursprünglichen Artikel in Englisch finden Sie hier.
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