Die neuesten Innovationen in der solarbetriebenen Wasserstoffproduktion

Solar-

Wissenschaftler am Brookhaven National Laboratory des US Department of Energy (DOE) haben neue Wege entwickelt, Nanostäbchen und Nanoröhren aus Titanoxid (TiO2) herzustellen oder zu modifizieren. Die Methoden und neuen Titanoxidmaterialien können zu verbesserten Katalysatoren für die Wasserstoffproduktion, effizienteren Solarzellen und schützenden Sonnenschutzmitteln führen.

Die Forschungsergebnisse werden in zwei Online-Publikationen veröffentlicht, eine im Journal of Physical Chemistry und die andere in Advanced Materials. Tio2Cavs
Transmissionselektronenmikroskopische Aufnahmen von Nanocavity-gefüllten Titanoxid-Nanostäben. Klicken um zu vergrößern.

In der ersten Arbeit beschreibt Wei-Qiang Han am Brookhaven Center for Functional Nanomaterials (CFN) und Autor beider Arbeiten und seiner Mitarbeiter eine neue Synthesemethode, um aus Eisen dotierte Titanat-Nanoröhren mit einem Durchmesser von etwa 10 Nanometern herzustellen bis zu einem Mikrometer lang.

Diese Experimente waren auch darauf gerichtet, die Photoreaktivität des Materials zu verbessern. Die Wissenschaftler zeigten, dass die resultierenden Nanoröhren eine bemerkenswerte Reaktivität in der Wasser-Gas-Shift-Reaktion zeigten.

Obwohl die Aktivität der Eisen-dotierten Nanoröhren nicht so gut war wie die von Titanoxid, das mit Metallen wie Platin und Palladium beladen ist, ist die beobachtete Aktivität bemerkenswert, wenn man bedenkt, dass Eisen ein viel billigeres Metall ist und seine Konzentration in unseren Proben war weniger als ein Prozent.

-Wei-Qiang Han

Die Forscher beobachteten auch interessante magnetische Eigenschaften in den mit Eisen dotierten Nanoröhren und werden zukünftige Studien verfolgen, um dieses Phänomen zu verstehen.

In der zweiten Studie verbesserten die Wissenschaftler die Fähigkeit von Titanoxid, Licht zu absorbieren.

Die Fähigkeit von Titandioxid, Licht zu absorbieren, ist einer der Hauptgründe, warum es in industriellen und medizinischen Anwendungen so nützlich ist.

-Wei-Qiang Han

Viele Wissenschaftler haben Wege zur Verbesserung der Lichtabsorptionsfähigkeit von Titanoxid durch Dotieren des Materials mit zusätzlichen Metallen erforscht. Han und seine Mitarbeiter verfolgten einen neuen Ansatz und verbesserten die Lichtabsorptionsfähigkeit des Materials durch die Einführung von Nanokavitäten, vollständig geschlossenen Taschen, die einen Milliardstel Meter in den Titanoxidstäben mit einem Durchmesser von 100 Nanometern messen.

Transmissionselektronenmikroskopische Aufnahmen von Nanocavity-gefüllten Titanoxid-Nanostäbchen (unten) und Eisen-dotierten Titanoxid-Nanoröhrchen (oben). Beide werden als Photokatalysatoren für Reaktionen zur Erzeugung von Wasserstoffgas untersucht. Die verbesserte Lichtabsorption der mit Nanokavität gefüllten Nanostäbe macht sie auch zu idealen neuen Materialien für Sonnenschutzmittel. (Klicken Sie auf das Bild für die hochauflösende Version)

Die resultierenden nanocavity-gefüllten Titanoxid-Nanostäbe waren bei der Absorption bestimmter Wellenlängen der ultravioletten A (UVA) und ultravioletten B (UVB) -Sonnenstrahlung 25% effizienter als Titanoxid ohne Nanokavitäten.

Unsere Forschung zeigt, dass Titanoxid-Nanostäbchen mit Nanokavitäten die Absorption von UVA- und UVB-Sonnenstrahlung dramatisch verbessern können und somit ideale neue Materialien für Sonnenschutzmittel sind.

-Wei-Qiang Han

Die mit Hohlräumen gefüllten Nanostäbe könnten auch den Wirkungsgrad photovoltaischer Solarzellen verbessern und als Katalysatoren für die Wasserspaltung und auch für die Wassergas-Shift-Reaktion zur Erzeugung von reinem Wasserstoffgas aus Kohlenmonoxid und Wasser verwendet werden.

Zur Herstellung der Nanokavitäten heizte das Team Titanat-Nanostäbchen in Luft auf. Dieser Prozess verdampfte das Wasser und wandelte Titanat in Titanoxid um, wobei innerhalb des Titanoxids sehr dicht beabstandete, regelmäßige, polyedrische Nanolöcher zurückblieben.

Die in diesen Studien entwickelten Materialien wurden mit verschiedenen Werkzeugen und Methoden von Brookhaven Lab zur Charakterisierung von Nanostrukturen einschließlich Transmissionselektronenmikroskopie und verschiedenen Techniken unter Verwendung von Röntgen- und Infrarotstrahlen an der National Synchrotron Light Source (NSLS) des Labors analysiert.

Diese Forschung wurde vom Büro für grundlegende Energiewissenschaften im Wissenschaftsbüro des US-Energieministeriums finanziert.

Zu den Mitarbeitern von Advanced Materials gehören Lijun Wu, Robert F. Klie und Yimei Zhu vom Brookhaven Center for Functional Nanomaterials (CFN). Für das Journal of Physical Chemistry Papier, Mitarbeiter gehören Brookhaven Chemiker Wen Wen und Jonathan Hanson; Ding Yi, Mathew Maye und Oleg Gang des CFN; Zhenxian Liu der Carnegie Institution von Washington; und Laura Lewis, früher am CFN und jetzt an der Northeastern University.

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