تشخیص سریعتر اکسیژن تولید شده توسط دستگاه فتوکاتالیست از اهمیت بالایی برای انرژی پاک برخوردار است


شکل 1: تشخیص اکسیژن (O2) تولید شده توسط فتوسنتز مصنوعی با استفاده از میکروالکترود. اعتبار: دانشگاه کوبه

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 ، پروفسور اونیشی 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.2فوتوکاتالیست 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) فوتوکاتالیست ، که در اصل توسط یک استاد قرارداد ویژه Domen Kazunari و دیگران ساخته شده 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) از آب (H2O) توسط فتوسنتز مصنوعی ، باید واکنش شیمیایی زیر 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 گرفته شده از دو 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 چهار الکترون (e-) از الکترود دریافت می کند ، که منجر به تغییر شکل زیر می شود: O2 + 2 ساعت2O + 4e → 4 اوه.

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 ، فقط هر سه دقیقه می تواند مقدار اکسیژن را 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 اندازه گیری های بدست آمده از میکروالکترود با شبیه سازی نشان داد که بین پانل فوتوکاتالیست یک تا دو ثانیه تأخیر وجود دارد که توسط نور ماورا UV بنفش و اکسیژن آزاد شده در آب روشن می شود. 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.

پروفسور اونیشی هیروشی ، دانشکده عالی علوم ، دانشگاه کوبه ، می گوید: “من متخصص شیمی فیزیک هستم و ایده کشف اکسیژن حاصل از فتوسنتز مصنوعی با استفاده از میکروالکترود در سال 2015 به ذهنم رسید. در دانشگاه کوبه ، ما یک دستگاه اندازه گیری ایجاد کردیم ، توسعه یافته توسط پروفسور تاكاهاشی و همكاران ، كه متخصصان تجزیه و تحلیل شیمیایی با استفاده از میكروالكترودها هستند و استفاده از آن را برای فوتوكاتالیست ها آغاز كردند.

“با بهبود دستگاه و جمع آوری دانش از نظر عملکرد ، ما آزمایش کردیم که این روش قادر به اندازه گیری اکسیژن تولید شده توسط صفحه فوتوکاتالیست ارائه شده توسط پروفسور دامنه و دانشیار هیساتومی و دیگران است ، چه کسی مقامات است. در تحقیقات فوتوکاتالیست.

“علاوه بر این ، سه دانشجوی تحصیلات تکمیلی دانشکده علوم دانشگاه کوبه در یک دوره 5 ساله در خط مقدم این مطالعه بودند و توسعه یک برنامه کامپیوتری را برای شبیه سازی عددی تا کشف” انتشار تاخیر اکسیژن “تحت پوشش قرار دادند.

“این سه تیم ویژگی های متمایز مربوط به رشته های مربوط به شیمی فیزیکی ، شیمی تحلیلی و شیمی کاتالیزور را در توسعه این مطالعه معرفی کردند. از طریق این همکاری ، ما توانستیم دیدگاه جدیدی به علم فتوسنتز مصنوعی کمک کنیم.”


تولید بسیار کارآمد گاز هیدروژن با استفاده از نور خورشید ، آب و هماتیت


اطلاعات بیشتر:
تاکومو کوساکا و همکاران سینتیک گذرا O2 تکامل در واکنش فوتوکاتالیستی جداسازی آب ، کاتالیز ACS (2020) DOI: 10.1021 / acscatal.0c04115

تهیه شده توسط دانشگاه کوبه

نقل قول: تشخیص سریعتر اکسیژن تولید شده توسط فوتوکاتالیست از اهمیت زیادی برای انرژی پاک برخوردار است (2020 ، 18 نوامبر) ، استخراج شده در 18 نوامبر 2020 از https://phys.org/news/2020-11-faster-photocatalyst اکسیژن-تولید-پیامدهای بزرگ .html

این برگه یا سند یا نوشته تحت پوشش قانون کپی رایت است. به جز هر معامله عادلانه ای به منظور معاینه خصوصی یا تحقیق ، هیچ بخشی بدون اجازه کتبی قابل تولید نیست. این محتوا فقط برای اطلاع رسانی ارائه شده است.




منبع: moshaverh-news.ir

دیدگاهتان را بنویسید

Comment
Name*
Mail*
Website*