Nytt nanomaterial med potential för miljövänlig vätgasproduktion

Generering av vätgas från vatten med hjälp av solenergi och billiga fotokatalytiska material har länge engagerat forskare. I en artikel i tidsskriften Energy and Environmental Science presenterar forskare från Uppsala universitet ett kostnadseffektivt och miljövänligt nanomaterial för väteproduktion, samt föreslår en mekanism för hur den aktiva ytan fungerar.

Utveckling av fotokatalysatorer för ljusdriven väteproduktion från vatten är ett idealt sätt att förvandla och lagra solenergi. På grund av den begränsade ljusabsorptionsförmågan hos oorganiska katalysatorer, tillsammans med det faktum att de ofta är dyra och farliga för miljön, letar forskare efter organiskt katalysatorer. I den aktuella studien har Uppsalaforskarna studerat organiska polymerer som alternativa fotokatalysatorer (ljusdrivna katalysatorer). Flaskhalsen för alla organiska fotokatalysatorer är att de är hydrofobiska (icke lösliga i vatten) vilket gör att protoner har svårt att ta sig in genom porerna för att reagera med den aktiva ytan. Detta leder till att prestandan för dessa fotokatalysatorer är sämre än för de traditionella metallbaserade oorganiska varianterna. Man behöver därför använda en stor mängd organiska lösningsmedel till reaktorn för att göra organiska polymera fotokatalysator.

Genom att använda en så kallad Nano-scale precipitationmetod för att bereda organiska polymera fotokatalysatorer till partiklar i nanoskala (Pdots), kan fotokatalysatorn fördela sig jämnt i vattenbaserade lösningar.

- Med hjälp av vattenlösliga så kallade kopolymerer kan vi skapa kanaler för protoner att röra sig i Pdot-fotokatalysatorn och på så sätt härma naturens fotosyntetiska system vilket skulle kunna öka vätegenereringen dramatiskt, säger Haining Tian, docent vid institutionen för kemi – Ångström.

Hans forskningsgrupp publicerade ett koncepttest förra året (i Angew. Chem. Int. Ed., 2016, 55(40), 12306). För att förstå mer om systemet och förbättra det har Haining Tian tillsammans med kollegan C. Moyses Araujo från institutionen för fysik – Ångström tillsammans arbetat för att finna de aktiva ytorna i Pdot-fotokatalysatorerna och dess mekanismer.

Genom att ändra strukturen hos polymerer samt undersöka olika fotokatalytiska mekanismer kunde forskarna lokalisera ungefär var de aktiva ytorna vid elektronacceptordelen fanns. Det visade sig att så kallade heteroatomer spelade en avgörande roll för fotokatalyseringen. Det är dock svårt att få korrekt information om vilken hetero atom, N eller S, som är den aktiva ytan med endast experimentella undersökningar.

Med hjälp av beräkningar kunde forskarna till slut visa att det var N-atomerna som var den aktiva ytan. De kunde också visa att den unika strukturen hos Pdots var fördelaktig för protonreduktion.

- Vätebindningar som formades mellan två polymerer i Pdots-fotokatalysatorn visade sig sänka energibarriären för protonreduktion. Pdots ser ut att vara en ideal fotokatalysator, säger C. Moyses Araujo.

Forskarna går nu vidare med att skapa mer stabila och effektivare Pdot-katalysatorer för ljusdriven väteproduktion genom att finputsa polymerstrukturen.

Läs artikeln “Experimental and Theoretical Study of an Efficient Polymer Nano-Photocatalyst for Hydrogen Evolution”.

För mer information, kontakta:

Dr. Haining Tian, email: haining.tian@kemi.uu.se ; telefon +46-(0)73 953 0993, eller
Dr. C. Moyses Araujo, email: moyses.araujo@physics.uu.se ; telefon +46-(0)73 514 0739.