Nieuw ontwikkelde hydrogel nanocomposiet voor de massaproductie van waterstof

27 april 2023 (Nanowerk Nieuws) Een onderzoeksteam onder leiding van prof. HYEON Taeghwan van het Center for Nanoparticle Research binnen het Institute for Basic Science (IBS) in Seoul, Zuid-Korea heeft een nieuw fotokatalytisch platform ontwikkeld voor de massaproductie van waterstof. Het onderzoek van de groep naar het fotokatalytische platform leidde tot de ontwikkeling van een drijvende fotokatalytische matrix, die een efficiënte waterstofevolutiereactie mogelijk maakt met duidelijke voordelen ten opzichte van conventionele waterstofproductieplatforms zoals film- of paneeltypes. Het onderzoek is gepubliceerd in Natuur Nanotechnologie (“Drijvende fotokatalytische hydrogel-nanocomposieten voor grootschalige productie van waterstof op zonne-energie”). A. Drijvende fotokatalytische platforms zijn samengesteld uit dubbellaagse structuren, een fotokatalytische laag en een ondersteunende laag. B. De poreuze structuur van het platform. C. De poreuze structuur van het platform zorgt voor drijfvermogen. (Afbeelding: Institute for Basic Science) Het belang van alternatieve energie is de laatste tijd toegenomen als gevolg van mondiale uitdagingen zoals milieuvervuiling en klimaatverandering. Van de verschillende kandidaten voor alternatieve energiebronnen wordt waterstofenergie die wordt geoogst door fotokatalyse vooral benadrukt vanwege de duurzame productie van groene energie. Dienovereenkomstig is er veel onderzoek en ontwikkeling gedaan om de intrinsieke reactie-efficiëntie van fotokatalysatoren te verbeteren. Onderzoek naar de vormfactor van fotokatalytische systemen, die van cruciaal belang is voor hun praktische toepassing en commercialisering, is echter nog niet actief onderzocht. Gewoonlijk fixeren de huidige systemen katalysatorpoeder of nanodeeltjes op verschillende oppervlakken, zoals deeltjesvormige platen, films en platte panelen, die onder water zijn ondergedompeld. Ze worden ook geconfronteerd met praktische problemen zoals het uitlekken van katalysatoren, slechte massaoverdracht en omgekeerde reacties. Ze vereisen ook extra apparaten om de gegenereerde waterstof uit water te scheiden en op te vangen, wat de complexiteit van het apparaat vergroot en de kosten verhoogt. Het team van het Center for Nanoparticle Research binnen het IBS, onder leiding van prof. Hyeon, ontwierp een nieuw type fotokatalytisch platform dat op het water drijft voor efficiënte waterstofproductie. Dit nieuwe platform heeft een dubbellaagse structuur, die bestaat uit een bovenste fotokatalytische laag en een onderste ondersteunende laag (Figuur 1A). Beide lagen zijn samengesteld uit een poreus structureel polymeer dat een hoge oppervlaktespanning aan het platform geeft (Figuur 1B). Bovendien is het platform vervaardigd in de vorm van cryo-aerogel, een vaste substantie gevuld met gas aan de binnenkant en een lage dichtheid. Als gevolg hiervan is dit elastomeer-hydrogel ingebed met fotokatalysatoren kunnen op water drijven (Figuur 1C). Dit platform vertoont duidelijke voordelen in de fotokatalytische waterstofevolutiereactie: ten eerste wordt lichtverzwakking door water voorkomen, wat resulteert in een efficiënte conversie van zonne-energie. Ten tweede kan het product, waterstofgas, gemakkelijk in de lucht worden verspreid, waardoor omgekeerde oxidatiereacties worden vermeden en een hoge reactieopbrengst behouden blijft. Ten derde kan het water gemakkelijk worden toegevoerd aan de katalysatoren die zich in de elastomeer-hydrogelmatrix bevinden vanwege de porositeit ervan. Ten slotte worden de katalysatoren stabiel geïmmobiliseerd in de matrix voor langdurig gebruik zonder uitlogingsproblemen. De onderzoekers hebben experimenteel de superieure waterstofontwikkelingsprestaties van het drijvende platform bewezen, vergeleken met die van het conventionele ondergedompelde platform. Bovendien werd de schaalbaarheid van het platform, die essentieel is voor potentiële industrialisatie, ook gedemonstreerd onder natuurlijk zonlicht. Er werd bevestigd dat ongeveer 80 ml waterstof kan worden geproduceerd door het drijvende fotokatalytische platform met behulp van koperen atoom- en titaandioxide-katalysatoren met een oppervlakte van 1 mXNUMX.2. Zelfs na twee weken gebruik in zeewater dat verschillende micro-organismen en drijvend materiaal bevatte, werden de waterstofontwikkelingsprestaties van het platform niet aangetast. Prof. Kim stelt: “Het voorgestelde platform kan zelfs waterstof produceren uit oplossingen die huishoudelijk afval oplossen, zoals flessen van polyethyleentereftalaat. Hierdoor kan het platform een ​​oplossing zijn voor het recyclen van afval, wat bijdraagt ​​aan een milieuvriendelijke samenleving.” Deze studie presenteert met name een algemeen platform voor efficiënte fotokatalyse dat zich niet alleen beperkt tot de productie van waterstof. Het is mogelijk om de katalytische component voor verschillende gewenste toepassingen te vervangen, zonder de eigenschappen van het drijvende aerogelmateriaal van het totale platform te veranderen. Dit garandeert de brede toepasbaarheid van het platform op andere fotokatalytische reacties, zoals de zuurstofontwikkelingsreactie, de productie van waterstofperoxide en de generatie van verschillende organische verbindingen. “Deze studie boekt grote vooruitgang op het gebied van fotokatalyse en toont het potentieel van groene waterstofproductie op zee met prestaties van wereldklasse. De onderscheidende materiaalkenmerken, hoge prestaties en brede toepasbaarheid op het gebied van fotokatalyse van ons platform zullen ongetwijfeld een nieuw hoofdstuk in alternatieve energie openen”, aldus prof. Hyeon.

• Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
• PlatoAiStream. Web3 gegevensintelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
• De toekomst slaan met Adryenn Ashley. Toegang hier.
• Bron: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=62908.php