¡Desconocido! Científicos chinos revelan la "magia mágica" de la producción de hidrógeno fotocatalítico solar

Las reacciones fotocatalíticas solares pueden dividir el agua para producir hidrógeno y reducir el dióxido de carbono para producir "combustible solar". Cómo se realiza la "magia" mágica de la luz solar siempre ha sido un problema difícil en el campo de la ciencia. Recientemente, llegaron buenas noticias de la Academia de Ciencias de China: el equipo de investigación dirigido por el académico Li Can y el investigador Fan Fengtao del Instituto de Física Química de Dalian, Academia de Ciencias de China (en lo sucesivo, "Instituto de Física Química de Dalian") descubrió con éxito este misterio y "fotografió" la carga fotogenerada Transferir la evolución completa de las imágenes del espacio-tiempo. Los resultados de investigación relevantes se publicaron en la revista académica internacional "Nature" el 12 de octubre.

El principal desafío científico de la división fotocatalítica del agua radica en cómo lograr una separación y un transporte eficientes de las cargas fotogeneradas. "En el proceso de fotocatálisis, los electrones y huecos fotogenerados deben separarse del interior de las micronanopartículas y transferirse a la superficie del catalizador para iniciar la reacción química". Fan Fengtao presentó que, dado que este proceso abarca desde femtosegundos hasta segundos, desde átomos hasta micras, desentrañar el mecanismo microscópico de este proceso es extremadamente desafiante.

"Durante mucho tiempo, nuestro equipo ha estado trabajando para resolver este problema. En este trabajo, integrando una variedad de tecnologías y teorías avanzadas, rastreamos todo el proceso de separación y evolución de transferencia de cargas fotogeneradas en nanopartículas en todo el espacio-tiempo. dominio ", dijo Li Can.

Según Li Can, mediante la integración de una variedad de técnicas de caracterización avanzadas y simulaciones teóricas, incluida la microscopía electrónica de fotoemisión de resolución temporal (de femtosegundos a nanosegundos), la espectroscopía de fotovoltaje de superficie transitoria (de nanosegundos a microsegundos) y la microscopía de fotovoltaje de superficie (microsegundos) de segundo a segundo) , etc., como una carrera de relevos, por primera vez en una partícula de fotocatalizador para rastrear todo el mecanismo de electrones y huecos que llegan al centro de reacción de la superficie.

La capacidad de rastrear la transferencia de carga en el tiempo y el espacio promoverá en gran medida la comprensión de los mecanismos complejos en el proceso de conversión de energía y proporcionará nuevas ideas y métodos de investigación para el diseño racional de fotocatalizadores con un mejor rendimiento. "En el futuro, se espera que este logro promueva la aplicación de la división solar fotocatalítica del agua para producir 'combustible solar' en la vida real, convirtiendo gradualmente los sueños en realidad y proporcionando energía limpia y verde para nuestra producción y vida", dijo Li Can.

Hay tres rutas técnicas típicas para la división solar del agua para producir hidrógeno, a saber, la electrólisis del agua asistida por fotovoltaica, la división fotocatalítica del agua y la división fotocatalítica del agua. Entre ellos, la electrólisis del agua asistida por fotovoltaica, es decir, el uso de electricidad verde generada por fotovoltaica para electrolizar agua para producir hidrógeno verde.

Es la forma más sencilla y económica de usar fotocatalizadores para realizar la división solar del agua para producir hidrógeno. La construcción del dispositivo es más fácil, el costo general es económico y es fácil de ampliar. Esta tecnología comenzó en 1972 cuando dos profesores, Fujishima A y Honda K de la Universidad de Tokio informaron por primera vez que los electrodos monocristalinos de TiO2 descomponen fotocatalíticamente el agua y generan hidrógeno, revelando así la posibilidad de utilizar la energía solar para descomponer directamente el agua para producir Posibilidad de hidrógeno, abrió el camino de investigación de la producción de hidrógeno por fotólisis de agua utilizando energía solar. Los fotocatalizadores que actualmente ingresan al campo de visión de los científicos incluyen tantalatos, niobatos, titanatos y polisulfuros.

Además de la búsqueda de catalizadores, también es una parte importante cómo lograr una separación y un transporte eficientes de las cargas fotogeneradas. El descubrimiento del Instituto de Física Química de Dalian tiene un papel muy importante en la promoción de la producción de hidrógeno fotocatalítico.