ไม่รู้จัก! นักวิทยาศาสตร์จีนเผย "มายากลมหัศจรรย์" ของการผลิตไฮโดรเจนโฟโตคะทาไลติกจากแสงอาทิตย์

ปฏิกิริยาโฟโตคะทาไลติกจากแสงอาทิตย์สามารถแยกน้ำเพื่อผลิตไฮโดรเจน และลดคาร์บอนไดออกไซด์เพื่อผลิต "เชื้อเพลิงพลังงานแสงอาทิตย์" วิธีการรับรู้ "เวทมนตร์" อันมหัศจรรย์ของแสงแดดเป็นปัญหาที่ยากเสมอในสาขาวิทยาศาสตร์ เมื่อเร็ว ๆ นี้มีข่าวดีมาจาก Chinese Academy of Sciences: ทีมวิจัยที่นำโดยนักวิชาการ Li Can และนักวิจัย Fan Fengtao จาก Dalian Institute of Chemical Physics, Chinese Academy of Sciences (ต่อไปนี้จะเรียกว่า "Dalian Institute of Chemical Physics") ประสบความสำเร็จในการค้นพบ ความลึกลับนี้และ "ถ่ายภาพ" ประจุ photogenerated การถ่ายโอนวิวัฒนาการภาพอวกาศและเวลาเต็มรูปแบบ ผลการวิจัยที่เกี่ยวข้องได้รับการตีพิมพ์ในวารสารวิชาการนานาชาติ "Nature" เมื่อวันที่ 12 ตุลาคม

ความท้าทายหลักทางวิทยาศาสตร์ของการแยกน้ำด้วยโฟโตคะตาไลติกอยู่ที่วิธีการแยกและขนส่งประจุโฟโตเจนอย่างมีประสิทธิภาพ "ในกระบวนการโฟโตคะทาไลซิส จำเป็นต้องแยกอิเล็กตรอนและรูที่สร้างด้วยแสงออกจากภายในของอนุภาคไมโครนาโน และถ่ายโอนไปยังพื้นผิวของตัวเร่งปฏิกิริยาเพื่อเริ่มปฏิกิริยาเคมี" Fan Fengtao แนะนำว่าเนื่องจากกระบวนการนี้ครอบคลุมตั้งแต่เฟมโตวินาทีไปจนถึงวินาที จากอะตอมไปจนถึงไมครอน การไขกลไกระดับจุลภาคของกระบวนการนี้จึงเป็นสิ่งที่ท้าทายอย่างยิ่ง

"เป็นเวลานานแล้วที่ทีมของเราทำงานเพื่อแก้ปัญหานี้ ในงานนี้ การรวมเทคโนโลยีและทฤษฎีขั้นสูงที่หลากหลาย เราได้ติดตามกระบวนการทั้งหมดของการแยกและถ่ายโอนวิวัฒนาการของประจุไฟฟ้าที่กำเนิดจากแสงในอนุภาคนาโนในกาลอวกาศทั้งหมด โดเมน " Li Can กล่าว

จากข้อมูลของ Li Can โดยการบูรณาการเทคนิคการวิเคราะห์ลักษณะขั้นสูงที่หลากหลายและการจำลองเชิงทฤษฎี รวมถึงกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนโฟโตอิเล็กทรอนิกแบบโฟโตอิเล็กชันที่แก้ไขตามเวลา (เฟมโตวินาทีเป็นนาโนวินาที) โฟโตโวลเตจสเปกโทรสโกปีพื้นผิวชั่วคราว (นาโนวินาทีเป็นไมโครวินาที) และกล้องจุลทรรศน์โฟโตโวลเตจพื้นผิว (ไมโครวินาที) วินาทีถึงวินาที) ฯลฯ เช่น การแข่งขันวิ่งผลัด เป็นครั้งแรกในอนุภาคโฟโตคะตะลิสต์เพื่อติดตามกลไกทั้งหมดของอิเล็กตรอนและรูที่ไปถึงศูนย์กลางปฏิกิริยาที่พื้นผิว

ความสามารถในการติดตามการถ่ายโอนประจุในเวลาและพื้นที่จะช่วยส่งเสริมความเข้าใจเกี่ยวกับกลไกที่ซับซ้อนในกระบวนการแปลงพลังงานอย่างมาก และให้แนวคิดและวิธีการวิจัยใหม่สำหรับการออกแบบเชิงเหตุผลของตัวเร่งปฏิกิริยาด้วยแสงที่มีประสิทธิภาพดีขึ้น "ในอนาคต ความสำเร็จนี้คาดว่าจะส่งเสริมการประยุกต์ใช้การแยกน้ำด้วยแสงจากแสงอาทิตย์เพื่อผลิต 'เชื้อเพลิงพลังงานแสงอาทิตย์' ในชีวิตจริง ค่อยๆ เปลี่ยนความฝันให้เป็นจริงและให้พลังงานสะอาดและเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมสำหรับการผลิตและชีวิตของเรา" Li Can กล่าว

มีสามเส้นทางทางเทคนิคโดยทั่วไปสำหรับการแยกน้ำด้วยแสงอาทิตย์เพื่อผลิตไฮโดรเจน ได้แก่ การแยกน้ำโดยใช้ไฟฟ้าจากเซลล์แสงอาทิตย์ช่วย การแยกน้ำด้วยโฟโตคะตาไลติก และการแยกน้ำด้วยโฟโตคะตาไลติก ในหมู่พวกเขา เซลล์แสงอาทิตย์ช่วยอิเล็กโทรไลซิสของน้ำ นั่นคือการใช้ไฟฟ้าสีเขียวที่เกิดจากเซลล์แสงอาทิตย์เพื่อทำให้น้ำเป็นอิเล็กโทรไลต์เพื่อผลิตไฮโดรเจนสีเขียว

เป็นวิธีที่ง่ายและประหยัดที่สุดในการใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาด้วยแสงเพื่อให้เกิดการแยกตัวของน้ำพลังงานแสงอาทิตย์เพื่อผลิตไฮโดรเจน โครงสร้างอุปกรณ์ง่ายกว่า ต้นทุนโดยรวมถูก และขยายขนาดได้ง่าย เทคโนโลยีนี้เริ่มขึ้นในปี พ.ศ. 2515 เมื่อศาสตราจารย์สองคน Fujishima A และ Honda K จากมหาวิทยาลัยโตเกียวรายงานเป็นครั้งแรกว่าขั้วไฟฟ้าผลึกเดี่ยว TiO2 ย่อยสลายน้ำและผลิตไฮโดรเจนด้วยแสงด้วยแสง ซึ่งเผยให้เห็นความเป็นไปได้ของการใช้พลังงานแสงอาทิตย์ในการย่อยสลายน้ำโดยตรงเพื่อผลิต ความเป็นไปได้ของไฮโดรเจน เปิดเส้นทางการวิจัยการผลิตไฮโดรเจนด้วยโฟโตไลซิสของน้ำโดยใช้พลังงานแสงอาทิตย์ ตัวเร่งปฏิกิริยาโฟโตคะตะลิสต์ที่กำลังเข้าสู่ขอบเขตการมองเห็นของนักวิทยาศาสตร์ ได้แก่ แทนทาเลต ไนโอเบต ไททาเนต และโพลีซัลไฟด์

นอกจากการค้นหาตัวเร่งปฏิกิริยาแล้ว วิธีการแยกและขนส่งประจุโฟโตเจนอย่างมีประสิทธิภาพก็เป็นส่วนสำคัญเช่นกัน การค้นพบของ Dalian Institute of Chemical Physics มีบทบาทอย่างมากในการส่งเสริมการผลิตไฮโดรเจนด้วยแสง