[ad_1]

تصویر

تصویر: تشخیص اکسیژن (O2) تولید شده توسط فتوسنتز مصنوعی با استفاده از میکروالکترود. چشم انداز بیشتر

اعتبار: (نمودار TOC از مقاله ACS Catalyst).

در حال حاضر بیشتر انرژی مصرف شده توسط مردم جهان از نفت و سایر منابع تجدید ناپذیر است که در آینده نزدیک در معرض تهدید قرار دارد. بنابراین ، توسعه روش های فتوسنتز مصنوعی با استفاده از فوتوکاتالیست برای تولید انرژی شیمیایی (سوخت هیدروژن) از نور خورشید و آب بسیار مورد توجه قرار گرفته است و پروژه های تحقیقاتی مختلفی در این زمینه در حال انجام است.

در طی فتوسنتز مصنوعی ، اکسیژن (O2) با واکنش جداسازی آب از فوتوکاتالیست بدست می آید. کار با محققان دانشگاه کانازاوا ، دانشگاه شینشو و دانشگاه توکیو ، استاد ONISHI هیروشی و دیگران. از دانشکده علوم دانشگاه کوبه یک روش تخمین اندازه گیری ایجاد کرده است که می تواند O را تشخیص دهد2 1000 برابر سریعتر از روشهای معمولی. ما امیدواریم که روش توسعه یافته توسط این مطالعه بتواند برای بهبود درک ما از مکانیسم های واکنش در پشت فتوسنتز مصنوعی و کمک به توسعه فوتوکاتالیست هایی که می توانند در دنیای واقعی استفاده شوند ، استفاده شود.

اهمیت انتشار این نتایج تحقیق در اسرع وقت تأیید شده است. مقاله ای در ژورنال انجمن شیمی آمریکا منتشر شده است کاتالیز ACS نسخه آنلاین گسترده ای را در تاریخ 29 اکتبر 2020 دریافت کرد.

مبنای تحقیق

فتوسنتز مصنوعی ، که می تواند برای تولید انرژی شیمیایی (سوخت هیدروژن) از نور خورشید و آب مورد استفاده قرار گیرد ، به دلیل پتانسیل خود در تأمین منبع انرژی بدون CO بسیار مورد توجه قرار گرفته است.2. فوتوکاتالیست ها جز key اصلی فتوسنتز مصنوعی هستند. اولین ماده فوتوکاتالیست در دهه 1970 توسط محققان ژاپنی کشف و توسعه یافت و دانشمندان در سراسر جهان طی 50 سال گذشته به طور مداوم در تلاشند تا کارایی خود را بهبود بخشند.

مطالعه حاضر از تیتانات استرانسیم (SrTiO) استفاده می کند3) یک فوتوکاتالیست که در اصل توسط یک استاد قرارداد خاص DOMEN Kazunari و همکاران توسعه یافته است. از دانشگاه شین شو (محقق درگیر در این مطالعه). در نتیجه پیشرفت های مختلف انجام شده توسط دانشیار Hinsatomi Takashi و همکاران. (همچنین یک محقق کمک کننده) ، این ماده فتوکاتالیستی بالاترین عملکرد واکنش (یعنی بازده تبدیل هیدروژن از آب توسط نور ماوراio بنفش) را در جهان به دست آورد. آخرین مسئله باقی مانده ، بهبود کارایی تولید هیدروژن از آب و نور خورشید به جای نور ماوراrav بنفش مصنوعی است. غلبه بر این مشکل به معنای تولد CO است2– فناوری رایگان برای تولید سوخت هیدروژن که می تواند توسط جامعه استفاده شود.

با این حال ، یک عامل که مانع تلاش برای بهبود کارایی تبدیل می شود ، درصد کم اکسیژن تولید شده توسط آب هنگام تولید هیدروژن است. برای تولید هیدروژن (H2) آب (H2O) واکنش شیمیایی زیر باید توسط فتوسنتز مصنوعی انجام شود: 2H2O -> 2H2 + ای2. اگرچه هدف تولید هیدروژن است (که می تواند به عنوان سوخت توسط جامعه استفاده شود) به جای اکسیژن ، اما اصول شیمیایی ایجاب می کند که اکسیژن همزمان از آب تولید شود تا هیدروژن تولید شود.

علاوه بر این ، فرآیند تولید اکسیژن پیچیده تر از فرآیند تولید هیدروژن است ، بنابراین بهبود کارایی واکنش را دشوار می کند (اتمهای اکسیژن از 2 H2ای ذرات باید به یکدیگر بچسبند.). این یک فضای باریک است که تبدیل کارآمد هیدروژن از آب را با استفاده از نور خورشید محدود می کند.

یک راه حل می تواند بهبود کارایی تبدیل اکسیژن از آب باشد ، اما این یک موضوع ساده نیست. به خوبی درک نشده است که چگونه اکسیژن توسط آب تولید می شود (یعنی مکانیسم واکنش) ، بنابراین تلاش برای بهبود این واکنش شبیه کار در تاریکی است. برای روشن کردن وضعیت ، این مطالعه به دنبال ایجاد یک روش تشخیص سریع برای نظارت بر اکسیژن تولید شده توسط فتوسنتز مصنوعی است تا مکانیسم واکنش آب به اکسیژن را آشکار کند.

روش تحقیق

این مطالعه با استفاده از یک روش تجزیه شیمیایی زیر آب با استفاده از میکروالکترود توسعه یافته توسط استاد دانشگاه کانازاوا TAKAHASHI Yasufumi و همکاران. (محقق کمک) به عنوان یک فناوری اساسی. اکسیژن تولید شده توسط دستگاه فتوکاتالیست فتوسنتز مصنوعی هنگام ادغام مجدد در آب کشف شد. همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است ، پانل فوتوکاتالیست تیتانیت استرانسیم در آب غوطه ور شد. میکروالکترود ، متشکل از 20 میکرومتر سیم پلاتین (حدود hair موی انسان) با کناره های پوشیده از شیشه ، در آب 100 میکرومتر از سطح پانل فوتوکاتالیست غوطه ور شد.

هنگامی که پانل فوتوکاتالیست توسط نور ماوراio بنفش (طول موج 280 نانومتر) توسط یک LED اکسیژن (O2) و هیدروژن (N2) در جایی که با پانل تماس پیدا کرد از آب جدا شدند. این مولکول های اکسیژن و هیدروژن متعاقباً در آب آزاد شدند. اکسیژن آزاد شده در آب پراکنده می شود و به میکروالکترود می رسد. اکسیژن رسیده به میکروالکترود 4 الکترون دریافت می کند (به عنوان مثال) از الکترود ، که منجر به تغییر شکل زیر می شود: O2 + 2 ساعت2O + 4e -> 4OH.

تعداد الکترون های بدست آمده از الکترود اکسیژن را می توان با اندازه گیری جریان الکتریکی که از الکترود عبور می کند ، تعیین کرد. اندازه گیری جریان الکتریکی که هر 0.1 ثانیه از طریق الکترود عبور می کند ، به محققان امکان می دهد میزان اکسیژن رسیده به الکترود را در هر 0.1 ثانیه محاسبه کنند. تشخیص کروماتوگرافی گازی ، دستگاه تحلیلی که تاکنون برای تشخیص اکسیژن استفاده شده است ، می تواند مقدار اکسیژن را فقط در هر 3 دقیقه اندازه گیری کند. این مطالعه توانست روشی را برای شناسایی که 1000 برابر سریعتر است ، ایجاد کند.

محاسبه زمان مورد نیاز اکسیژن برای عبور 100 میکرومتر از آب پانل فوتوکاتالیست به الکترود کار دشواری نیست. این امر می تواند با انجام شبیه سازی های عددی در رایانه رومیزی بر اساس قوانین انتشار فیک حاصل شود. مقایسه نتایج حاصل از اندازه گیری های حاصل از میکروالکترود با شبیه سازی نشان داد که بین پانل فوتوکاتالیست روشن شده توسط نور ماورا oxygen بنفش و اکسیژن آزاد شده در آب 1 تا 2 ثانیه تأخیر وجود دارد. این تأخیر پدیده جدیدی است که با تشخیص کروماتوگرافی گازی مشاهده نمی شود.

این تأخیر در نظر گرفته شده است که یک مرحله مقدماتی لازم برای فوتوکاتالیست روشن برای شروع جداسازی آب است. تحقیقات آینده علاوه بر تحقیق در مورد کاری که فوتوکاتالیست در مرحله آماده سازی انجام می دهد ، در پی آزمایش این فرضیه خواهد بود. با این حال ، انتظار می رود که روش تشخیص اکسیژن در این مطالعه ، که 1000 برابر سریعتر از روش های تشخیص قبلی است ، منجر به پیشرفت های جدید در فتوسنتز مصنوعی شود.

نظر محقق (پروفسور اونیشی هیروشی ، دانشکده عالی علوم ، دانشگاه کوبه)

من متخصص شیمی فیزیک هستم و ایده کشف اکسیژن تولید شده توسط فتوسنتز مصنوعی با استفاده از میکروالکترود در سال 2015 به ذهنم خطور کرد. در دانشگاه کوبه ، ما دستگاه اندازه گیری ایجاد شده توسط پروفسور تاکاهاشی و دیگران ، که در زمینه شیمی متخصص هستند را ایجاد کردیم. تجزیه و تحلیل با استفاده از میکروالکترودها و شروع به استفاده از آن برای فوتوکاتالیست ها.

با بهبود دستگاه و جمع آوری دانش از نظر عملکرد ، ما آزمایش کردیم که این روش قادر به اندازه گیری اکسیژن تولید شده توسط پانل فوتوکاتالیست ارائه شده توسط پروفسور دامنه و دانشیار هیساتومی و دیگران است ، تحقیق در مورد فوتوکاتالیست ها.

علاوه بر این ، 3 دانشجوی فارغ التحصیل از دانشکده علوم دانشگاه کوبه در یک دوره 5 ساله در خط مقدم این مطالعه قرار داشتند و توسعه یک برنامه رایانه ای را برای شبیه سازی عددی تا کشف “انتشار آهسته اکسیژن” پوشش می دادند.

این سه تیم با ویژگی های متمایز در زمینه های مربوط به شیمی فیزیک ، شیمی تحلیلی و شیمی کاتالیزور به توسعه این مطالعه کمک کردند. از طریق این همکاری ، ما توانسته ایم دیدگاه جدیدی در علم فتوسنتز مصنوعی داشته باشیم.

###

بودجه تحقیقاتی

این مطالعه با بودجه انجمن ترویج علم ژاپن (JSPS KAKENHI ، شماره های کمک هزینه JP16H02250 و JP19H00915) و برنامه PRESTO آژانس علم و فناوری ژاپن (JPMJPR18T8) پشتیبانی شد.

اطلاعات مربوط به مجله

عنوان:

“سینتیک گذرا O2 تکامل در واکنش فوتوکاتالیستی جداسازی آب ”

DOI: 10.1021 / acscatal.0c04115

نویسندگان:

تاکامو کوساکا1، یویا تدوکا1، تاکویا اوگورا1، یوانشو ژو2، تاکاشی هیساتومی3، هیروشی نیشیاما4، دامنه کازوناری3 ، 4، یاسفومی تاکاهاشی2 ، 5، هیروشی اونیشی1، *

1 مدرسه عالی علوم ، دانشگاه کوبه.

2 م Instituteسسه علوم زندگی نانو ، دانشگاه کانازاوا.

3 خوشه تحقیقات خوشه ای بین رشته ای ، دانشگاه شینشو.

4 دفتر اساتید دانشگاه ، دانشگاه توکیو.

5 مطالعه مقدماتی در علم و فناوری جنینی ، آژانس علم و فناوری ژاپن (JST)

* نویسنده برای مکاتبات.

مجله:

تجزیه ACS

[ad_2]

منبع: kolah-news.ir