Автор AZoNano 25 января 2021 г.

Группа исследователей из Национального института научных исследований (INRS) объединила свои усилия с французскими исследователями из Института химии и процессов для энергетики, окружающей среды и здоровья (ICPEES), объединенного CNRS и Страсбургским университетом. исследовательская лаборатория, чтобы проложить путь к производству зеленого водорода.

Эта международная команда разработала новые фоточувствительные наноструктурированные электроды. Результаты их исследований были опубликованы в выпуске журнала Solar Energy Materials and Solar Cells за ноябрь 2020 г.

Вектор перехода энергии

Водород рассматривается некоторыми странами Организации экономического сотрудничества и развития (ОЭСР) как ключевой игрок в переходе к декарбонизированным отраслям и секторам.

По словам профессора INRS Май Али эль-Хакани, Квебек может занять стратегическое положение в этом энергетическом секторе будущего. «Благодаря высокоэффективным наноматериалам мы можем повысить эффективность диссоциации воды для производства водорода. Это« чистое »топливо становится все более важным для обезуглероживания тяжелых грузовых автомобилей и общественного транспорта. Например, автобусы, использующие водород в качестве топлива уже используется в нескольких европейских странах и в Китае. Эти автобусы выбрасывают воду вместо парниковых газов, », – добавил физик и специалист по наноматериалам.

Расщепление молекул воды на кислород и водород долгое время осуществлялось электролизом. Однако промышленные электролизеры очень энергоемки и требуют больших инвестиций.

Исследователи INRS и ICPEES были скорее вдохновлены естественным механизмом: фотосинтезом. Действительно, они разработали специально сконструированные и структурированные электроды, которые расщепляют молекулы воды под солнечным светом. Это процесс, известный как фотокатализ.

Проблемы проектирования и изготовления наноструктурированных электродов

Для максимального использования солнечной энергии исследовательские группы выбрали очень распространенный и химически стабильный материал: диоксид титана (TiO2). TiO2 – это полупроводник, известный своей светочувствительностью к УФ-свету, на который приходится только 5% солнечного излучения.

Исследователи использовали свой опыт в этой области, чтобы сначала изменить атомный состав TiO2 и увеличить его светочувствительность к видимому свету. Они смогли произвести электроды, которые могут поглощать до 50% света, излучаемого солнцем. Значительный выигрыш с самого начала!

Затем исследователи приступили к наноструктурированию электрода, чтобы сформировать сетку из нанотрубок TiO2, которая напоминает структуру, подобную улью. Этот метод увеличивал эффективную площадь поверхности электрода в 100 000 или более раз.

«Наноструктурирование максимизирует соотношение между поверхностью и объемом материала. Например, наноструктуры TiO2 могут иметь площадь поверхности до 50 м2 на грамм. Это площадь поверхности квартиры среднего размера!» – с энтузиазмом заметил профессор Эль Хакани.

Заключительным этапом разработки электродов является их «нанодекорирование». Этот процесс заключается в нанесении наночастиц катализатора на бесконечную сетку нанотрубок TiO2, чтобы повысить их эффективность производства водорода.

Чтобы достичь этого этапа нанодекорации, исследователи использовали метод нанесения лазерной абляции – область, в которой профессор Эль Хакани накопил уникальный опыт за последние 25 лет. Задача заключалась не только в том, чтобы контролировать размер, дисперсию и закрепление наночастиц катализатора на матрице нанотрубок TiO2, но и в поиске альтернатив дорогостоящим иридиевым и платиновым классическим катализаторам.

Это исследование идентифицировало оксид кобальта (CoO), материал, который вполне доступен в подземельях Квебека, в качестве эффективных сокатализаторов для расщепления молекул воды. Сравнение двух материалов показало, что наночастицы CoO позволили десятикратно увеличить фотокаталитическую эффективность этих новых нанодекорированных электродов в видимом свете по сравнению с голыми нанотрубками.

Об исследовании

Статья «Сравнительное исследование фотокаталитических эффектов импульсного лазерного осаждения наночастиц CoO и NiO на нанотрубки TiO2 для фотоэлектрохимического расщепления воды» Томаса Фаве, Томаса Коттино, Валери Келлер и Май Али Эль Хакани. , был опубликован в выпуске журнала Solar Energy Materials and Solar Cells за ноябрь 2020 года. Исследователи получили финансовую поддержку от Совета по естественным наукам и инженерным исследованиям Канады (NSERC) и Фонда научных исследований Квебека – Природа и технологии (FRQNT). Во Франции проект также частично финансировался Национальным агентством исследований (ANR).

Источник: https://inrs.ca/en/