Organik Fotokatalist, Suyun Ayrılmasına Yardımcı Oluyor
Fotoğraf : İki Kademeli
Fotosentezden esinlenilen bir su bölme sisteminde, ilk olarak solda gösterildiği gibi güneş ışığı, suyu O2 ve hidrojen iyonlarına oksitleyen bir metal oksit foto katalizörünü yani WO3 veya BiV04’yi aktive eder. Katalizör, reaksiyon sırasında emilen elektronları bir redoks aracısı vasıtasıyla grafitik karbon nitrüre (g-C3N4) aktarır.
Credit: J. Am. Chem. Soc./C&EN
Kataliz: Grafitik karbon nitrür, sudan hidrojen yakıtı üretmek için güneş ışığını kullanan bir katalizör olarak görünmektedir.
Ucuz su bölme katalizörleri, yakıt hücreleri için hidrojen üretme maliyetini düşürebilir. Bu amaçla, Bir grup İngiliz bilim insanı su bölme sistemine kararlı, düşük maliyetli bir organik katalizör dahil etmiştir (J. Am. Chem. Soc. 2014, DOI: 10.1021/ja506386e). Araştırmacılar grafitik karbon nitrür katalizörünü kolaylıkla bulunabilen ve düşük maliyeti olan üreden elde ettiler.
Su bölme teknikleri genellikle bitki fotosentezini taklit eder, sudan O2 ve H2 üretmek için iki aşamalı bir işlem gerçekleşir, bu işlemde fotokatalizörler kullanır. İlk önce ışık, metal oksit gibi bir katalizörü aktive eder, daha sonra bu katalizör, suyu O2 ve hidrojen iyonlarına oksitler. Metal oksit, prosesteki elektronları emer ve daha sonra suda çözünmüş sodyum iyodür gibi bir redoks aracısına aktarır. Bu aracı da elektronları ikinci bir fotokatalizöre aktarır. Işık, ikinci katalizördeki elektronları uyarır ve daha sonra H2 üretmek için hidrojen iyonlarını azaltır.
Londra College Üniversitesi’nden Junwang Tang, işin püf noktası, reaksiyonun iki yarısında da katalizör olarak kullanılacak doğru malzemeyi bulmakta yatıyor, organik yarı iletkenlerin yüksek fotokatalitik aktiviteye sahip olduklarını, ancak inorganik yarı iletkenlerden fiziksel olarak biraz daha kararlı olma eğiliminde bulunduklarını söylüyor. Ancak diğer araştırmacılar yakın zamanda organik bir yarı iletken olan grafitik karbon nitrürün (g-C3N4) hem asit hem de alkali koşullarda stabil kaldığını keşfettiler.
Fotoğraf : Güçlü Katalizör Grafit karbon nitrür suyu ayırmak için düşük maliyetli, stabil bir organik katalizördür.
Bu yüzden Tang’ın ekibi g-C3N4’ü prosesin hidrojen tarafında katalizör olarak test etmeye karar verdi. Tang’ın ekibi, g-C3N4 yapmak için, bol bulunmasından dolayı ucuz bir bileşik olan termal olarak ayrıştırılmış üreyi kullandılar. Tang, bu yaklaşımın g-C3N4 birimlerinin polimerizasyon derecesini artırdığını söylüyor. Yani daha fazla polimerizasyon, indirgeme reaksiyonu için daha çok yüzey alanı anlamına gelmektedir ve elektron transferinin hızlı ve kolay bir şekilde yapılmasını sağlamaktadır.
Araştırmacılar g-C3N4‘ü daha önce oksidasyon işlemi için geliştirilen bizmut vanadat (BiVO4) ve tungsten trioksit (W03) adında iki metal oksit ile test etmiş ve tungsten ile en iyi sonuçları aldıklarını tespit etmişlerdir.
Reaksiyon hala çok verimli değildir, 10 saat içinde 200 mL suyu azaltmış, sistemlerindeki toplam suyun % 1’inden daha azını tüketmiş, ancak 2:1 oranında ideal bir hidrojen / oksijen oranı sağlamıştır. Tang, verimliliğin artırılabileceğini umuyor. Örneğin, W03‘ün partikül boyutunun küçültülmesi, reaksiyonların gerçekleşmesi için daha fazla yüzey alanı sağlayacaktır. Tang’ın ekibi ayrıca karbon nitrür malzemesinin polimerleşme derecesini artırmaya çalışıyor.
Tokyo Üniversitesi’nden Kazunari Domen, karbon nitrürün gerçekten geniş ölçekli kullanım için umut verici bir fotokatalist olduğunu söyledi. Tang’ın çalışmasının, karbon nitrürün nasıl kullanılabileceğine iyi bir örnek olduğunu, ancak araştırmacıların emilen fotonları kullanılabilir elektronlara dönüştürmedeki verimliliğini artırma düşüncesi hakkında, “pratik kullanım için oldukça düşük görünüyor” dedi.
Kaynak : acs.org
