新氧化钛材料允许阳光驱动绿色制氢

清洁能源计划,包括美国基础设施投资行为的“清洁的氢路线图。”正指望未来的氢作为燃料。但是目前的氢分离技术仍然是低于的效率和可持续性的目标。作为持续努力的一部分,开发可能的材料使替代能源,德雷塞尔大学的工程学院的研究人员已经产生了氧化钛nanofilament材料,可以利用阳光来解锁无处不在的分子作为燃料来源的潜力。

这个发现提供了一个替代当前的方法产生温室气体和需要大量的能量。光催化,这一过程可以从水中分离氢只使用阳光,已经探索了几十年,但仍然是一个遥远的考虑,因为催化剂材料使过程只能存活一到两天,这限制了其长期效率和,因此,其商业可行性。

德雷克斯的小组,由工程学院研究人员米歇尔Barsoum博士,侯赛因·o·巴德尔,博士学位合作与材料物理研究所的科学家们在布加勒斯特,罗马尼亚,最近报道的发现光催化钛氧化物,一维nanofilament材料可以帮助阳光收集从水中氢数月。他们的文章”Photo-stable 1 d-nanofilaments TiO2-based纤铁矿-甲醇混合光催化制氢,”发表在《事,提出了一种可持续的和可负担得起的路径创建氢燃料,根据作者。

“我们的钛氧化物一维nanofilaments光催化剂显示活动——由一个数量级大大高于其商业氧化钛,”侯赛因说。“此外,我们的光催化剂被发现在水中稳定6个月——这些结果代表了新一代催化剂,终于可以推出纳米材料从实验室到市场的期待已久的转变。”

Barsoum集团发现hydroxides-derived纳米结构(淬火)-氧化钛纳米材料家族,光催化材料所属——两年前,是制定一个新进程让MXene材料,德雷克塞尔研究人员探索的应用程序。而不是使用标准的,刻薄的氢氟酸化学蚀刻出层状二维MXenes从材料称为最大阶段,该集团使用常见的有机碱的水溶液中,tetramethylammonium氢氧根。

但是而不是生产MXene,反应产生薄,纤维钛氧化物链——团队会发现拥有的能力,促进水的化学反应,将氢分子暴露在阳光下。

“以前展示了光催化氧化钛材料的能力,所以测试我们的新nanofilaments这个属性是一个自然的一部分,我们的工作,”他说。“但我们没有预料到发现它们不仅光催化,但他们是非常稳定和高效催化剂甲醇制氢的混合物。”

五组测试光催化剂材料-钛氧化物淬火,来自各种低成本的和现成的前体材料相比,他们赢创Aeroxide的氧化钛材料,称为P25,这是被广泛接受的光催化剂材料最接近商业可行性。

每个材料都淹没在甲醇溶液和暴露在紫外-可见光线产生的可调照明灯模仿太阳的光谱。研究者测量了氢气的量和持续时间的活动在每个反应堆装置,以及光子的数量从氢相互作用时产生的光催化剂材料——一个度量对于理解每个材料的催化效率。

他们发现,所有五个钛氧化物淬火催化剂进行更有效地利用阳光生产氢比P25材料。其中之一,源自二进制碳化钛,是10倍的效率比P25使光子从水中分离氢。

这个改进是相当重要的,团队报告,但一个更重要的发现是,材料依然活跃经过180多天的接触模拟阳光。

“事实上,我们的材料似乎可能是热力学稳定、光化学地活跃在甲醇混合物长时间在怎么强调都不为过,”侯赛因说。“由于我们的材料不是昂贵的,容易扩展,在水中,非常稳定,在各种光催化过程中的应用成为值得探索。”

下一步的研究更好地理解为什么这种材料就这样,所以它可以作为光催化剂进一步优化。团队的当前理论假定,一维的性质和理论高表面积材料有助于持续活动,但需要额外的测试来确认这些建议。

集团也在努力寻找其他添加剂,除了甲醇,作为“洞饮料”——防止水分解反应可逆过程的化学物质,这是一种常见的发生由于有些混乱的光催化反应的性质。

结果非常有前途,集团已经建立了一个绿色的氢启动技术和正在与创新的德雷克斯办公室和美国国家科学基金会的创新队走向商业化。

“我们很兴奋这个发现的可能性,”Barsoum说。“世界需要大量新的清洁能源能够取代化石燃料。我们相信这种材料可以解锁绿色氢的潜力。”

此外,该集团正在研究淬火的其他应用程序,包括使用电池,太阳能电池,水净化和医学治疗。的能力很容易和安全地在大量生产,使淬火有别于其他纳米材料,将各种可能的使用,根据侯赛因。

“我们的淬火纳米结构继续打动不同社区的家庭与我们合作。bet188真人这些氧化钛nanofilaments可以用于许多应用程序包括水净化、染料降解,钙钛矿太阳能电池,锂离子和锂硫电池,尿素透析和乳腺癌治疗,在更多。”

参考:巴德尔HO Natu V, NeațuȘtefan, et al . Photo-stable 1 d-nanofilaments TiO2-based纤铁矿的光催化制氢-甲醇混合物。事。2023:S2590238523002448。doi:10.1016 / j.matt.2023.05.026

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