Ερευνητές της Κινεζικής Ακαδημίας Επιστημών ανέπτυξαν νέο υλικό COF που διατηρεί τα φορτία 1.000 φορές περισσότερο, ενισχύοντας την παραγωγή υδρογόνου με τη χρήση ηλιακού φωτός, σύμφωνα με δημοσίευμα του Interesting Engineering
Σχετικά Άρθρα
Λευκό υδρογόνο: Νέα κούρσα γεωτρήσεων σε τρεις ηπείρους (Oil Price)
Παραγωγή καθαρότερου υδρογόνου «κρύβει» απρόσμενο θησαυρό: Γραφίτης υψηλής ποιότητας (The Times of India)
Ένα νέο υλικό που ανέπτυξαν Κινέζοι ερευνητές μπορεί να αλλάξει τα δεδομένα στην παραγωγή καθαρού υδρογόνου: παγιδεύει τα ηλεκτρικά φορτία έως και 1.000 φορές περισσότερο, επιταχύνει τη μεταφορά τους και πετυχαίνει εντυπωσιακούς ρυθμούς παραγωγής υδρογόνου χρησιμοποιώντας το ηλιακό φως, σύμφωνα με δημοσίευμα του Interesting Engineering.
Η παραγωγή υδρογόνου με τη βοήθεια του Ήλιου κάνει ένα σημαντικό βήμα μπροστά, χάρη σε ένα νέο υλικό που ανέπτυξαν ερευνητές του Ningbo Institute of Materials Technology and Engineering (NIMTE) της Κινεζικής Ακαδημίας Επιστημών, σε συνεργασία με συναδέλφους τους από το Technical Institute of Physics and Chemistry.
Η ομάδα δημιούργησε ένα ομοιοπολικό οργανικό πλαίσιο (COF) με σύνδεση κουμαρίνης, σχεδιασμένο ειδικά για να αντιμετωπίσει ένα από τα βασικά προβλήματα των φωτοκαταλυτών: την ταχεία επανασύνδεση των ηλεκτρονίων και των «οπών» που δημιουργούνται όταν το υλικό απορροφά φως.
Το αποτέλεσμα είναι ένα υλικό που μπορεί να διατηρεί την κατάσταση διαχωρισμένου φορτίου 1.000 φορές περισσότερο σε σχέση με ένα αντίστοιχο COF με σύνδεση ιμίνης, ανοίγοντας τον δρόμο για αποδοτικότερη φωτοκαταλυτική διάσπαση του νερού.
Η άκαμπτη δομή που κρατά τα φορτία «ζωντανά»
Τα COFs είναι πορώδη πολυμερή που αποτελούνται από οργανικά μόρια τα οποία συνδέονται μεταξύ τους με ισχυρούς ομοιοπολικούς δεσμούς. Η δομή τους μπορεί να τροποποιηθεί με μεγάλη ακρίβεια, γεγονός που τα καθιστά ιδιαίτερα ενδιαφέροντα για εφαρμογές στην ηλιακή ενέργεια και τη φωτοκατάλυση.
Στα συμβατικά COFs, όμως, ορισμένες εύκαμπτες χημικές συνδέσεις μπορούν να περιστρέφονται εκτός του επιπέδου της δομής. Αυτές οι κινήσεις προκαλούν απώλειες ενέργειας και ενισχύουν τις διακυμάνσεις της δομής, μειώνοντας την αποτελεσματικότητα της μεταφοράς φορτίου.
Οι ερευνητές αντικατέστησαν αυτές τις πιο ευκίνητες συνδέσεις με μια άκαμπτη και επίπεδη σύνδεση κουμαρίνης, δημιουργώντας ένα πλήρως συζευγμένο COF. Η νέα αρχιτεκτονική περιορίζει τις δομικές διακυμάνσεις και ενισχύει την αποπλοκή των ηλεκτρονίων μέσω εκτεταμένης αποτοπικοποίησης των π-ηλεκτρονίων.
Με απλά λόγια, το υλικό επιτρέπει στα ηλεκτρικά φορτία που δημιουργεί το φως να μετακινούνται αποτελεσματικότερα μέσα στη δομή, αντί να χάνονται γρήγορα μέσω επανασύνδεσης.
531 mmol υδρογόνου ανά γραμμάριο την ώρα
Οι επιδόσεις του νέου COF ήταν ιδιαίτερα εντυπωσιακές όταν χρησιμοποιήθηκαν νανοσωματίδια πλατίνας (Pt) ως συνκαταλύτης. Τα φωτοπαραγόμενα ηλεκτρόνια μεταφέρθηκαν από το COF στην πλατίνα σε περίπου 407 picoseconds, διαδικασία που υποστηρίζει την παραγωγή υδρογόνου.
Με ακτινοβολία στα 440 nm, το υλικό πέτυχε ρυθμό παραγωγής υδρογόνου 531 mmol g⁻¹ h⁻¹, ενώ η κβαντική απόδοση στα 405 nm έφτασε το 37,95%.
Ακόμη πιο σημαντικό για μια πιθανή αξιοποίηση του ηλιακού φωτός είναι ότι, υπό ορατό φως με μήκος κύματος άνω των 420 nm, ο ρυθμός παραγωγής υδρογόνου παρέμεινε ιδιαίτερα υψηλός, φτάνοντας τα 166 mmol g⁻¹ h⁻¹.
Η επίδοση αυτή δείχνει ότι η λεγόμενη «μηχανική των δεσμών» μπορεί να αποτελέσει έναν αποτελεσματικό τρόπο βελτιστοποίησης των οργανικών φωτοκαταλυτών. Αν η προσέγγιση μπορέσει να μεταφερθεί από το εργαστήριο σε μεγαλύτερη κλίμακα, τέτοια υλικά θα μπορούσαν να συμβάλουν στην ανάπτυξη αποδοτικότερων συστημάτων που μετατρέπουν απευθείας την ηλιακή ενέργεια σε χημική ενέργεια αποθηκευμένη στο υδρογόνο.
Όπως εξήγησε ο καθηγητής Zhang Tao του NIMTE, η συγκεκριμένη έρευνα προσφέρει μια σχετικά απλή στρατηγική για τον έλεγχο της δυναμικής των φορτίων στα συζευγμένα COFs μέσω της τροποποίησης των χημικών συνδέσεων, παρέχοντας νέες κατευθύνσεις για τον σχεδιασμό φωτοκαταλυτών υψηλής απόδοσης για ηλιακή παραγωγή υδρογόνου.
www.worldenergynews.gr
