Материал оксида титана Drexel позволяет солнечному свету стимулировать производство экологически чистого водорода

Aug 18, 2023

Планы чистой энергетики, в том числе «Дорожная карта чистого водорода» Закона об инвестициях в инфраструктуру США, рассчитывают на то, что водород станет топливом будущего. Но нынешняя технология разделения водорода по-прежнему не соответствует целям эффективности и устойчивости. В рамках продолжающихся усилий по разработке материалов, которые могли бы стать альтернативными источниками энергии, исследователи из Инженерного колледжа Университета Дрекселя создали нановолоконный материал из оксида титана, который может использовать солнечный свет, чтобы раскрыть потенциал вездесущей молекулы в качестве источника топлива.

Это открытие предлагает альтернативу нынешним методам, которые генерируют парниковые газы и требуют большого количества энергии. Фотокатализ, процесс, который может отделить водород от воды, используя только солнечный свет, исследовался в течение нескольких десятилетий, но оставался более отдаленным вопросом, поскольку материалы катализатора, обеспечивающие этот процесс, могут выжить только в течение дня или двух, что ограничивает его продолжительность. эффективность и, как следствие, ее коммерческая целесообразность.

Группа Дрекселя, возглавляемая исследователями Инженерного колледжа Мишелем Барсумом, доктором философии, и Хусейном О. Бадром, доктором философии, в сотрудничестве с учеными из Национального института физики материалов в Бухаресте, Румыния, недавно сообщила об открытии фотокаталитического вещества на основе оксида титана. Двухмерный нановолоконный материал, который может помочь солнечному свету извлекать водород из воды в течение нескольких месяцев. По мнению авторов, их статья «Фотостабильные 1D-нановолокна на основе лепидокрокита на основе TiO2 для фотокаталитического производства водорода в водно-метаноловых смесях», опубликованная в журнале Matter, представляет устойчивый и доступный путь создания водородного топлива.

«Наш фотокатализатор из одномерных нановолокон из оксида титана продемонстрировал активность, которая существенно выше — на порядок — чем его коммерческий аналог из оксида титана», — сказал Бадр. «Более того, было обнаружено, что наш фотокатализатор стабилен в воде в течение 6 месяцев — эти результаты представляют собой новое поколение фотокатализаторов, которые, наконец, могут запустить долгожданный переход наноматериалов из лаборатории на рынок».

Группа Барсума обнаружила наноструктуры, полученные из гидроксидов (HDN) — семейство наноматериалов из оксида титана, к которым принадлежит фотокаталитический материал — два года назад, когда она разрабатывала новый процесс изготовления материалов MXene, который исследователи Дрекселя изучают в течение ряда приложений. Вместо использования стандартной едкой плавиковой кислоты для химического травления слоистых двумерных MXenes из материала, называемого фазой MAX, группа использовала водный раствор обычного органического основания, гидроксида тетраметиламмония.

Но вместо того, чтобы производить MXene, в результате реакции образовывались тонкие, волокнистые нити на основе оксида титана, которые, как выяснилось, обладают способностью облегчать химическую реакцию, которая расщепляет водород из молекул воды при воздействии солнечного света.

«Материалы на основе оксида титана ранее демонстрировали фотокаталитические способности, поэтому тестирование наших новых нановолокон на это свойство было естественной частью нашей работы», — сказал он. «Но мы не ожидали обнаружить, что они не только фотокаталитические, но и являются чрезвычайно стабильными и продуктивными катализаторами для производства водорода из водно-метанольных смесей».

Группа протестировала пять фотокаталитических материалов — HDN на основе оксида титана, полученных из различных недорогих и легкодоступных исходных материалов — и сравнила их с материалом оксида титана от Evonik Aeroxy под названием P25, который широко известен как фотокаталитический материал, наиболее близкий к коммерческой жизнеспособности. .

Каждый материал был погружен в водно-метаноловый раствор и подвергнут воздействию ультрафиолетового и видимого света, излучаемого настраиваемой лампой-осветителем, имитирующей спектр Солнца. Исследователи измерили как количество вырабатываемого водорода, так и продолжительность активности в каждой сборке реактора, а также количество фотонов света, которые производят водород при взаимодействии с материалом катализатора — показатель для понимания каталитической эффективности каждого материала.