Nanomaterial med potential för miljövänlig vätgasproduktion

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 organiska 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 fotokatalysatorer.

Genom att använda en så kallad Nano-scale precipitationsmetod 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.

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 heteroatom, 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.

Artikelreferens

Anneli Waara