Halfgeleider nanokristallen helpen bij de productie van waterstofbrandstof

Fotosynthese
Fotosynthese is het proces waarbij zonnestraling wordt omgezet in groene energie om suiker te produceren, die door de cellulaire ademhaling wordt omgezet in ATP door de planten, bacteriën en sommige protistanen groen met behulp van groen chlorofylpigment met behulp van water en het vrijgeven van zuurstof.
Kunstmatige fotosynthese
Kunstmatige fotosynthesesystemen die gebruik maken van lichtabsorberende moleculen of chromoforen, meestal gemaakt van organische kleurstoffen, om water chemisch te splitsen in waterstof en zuurstof door middel van halfreacties met reductie- en oxidatieproces. Maar de lichtabsorberende kleurstoffen zijn beschadigd door zonnestralen en het proces is inefficiënt en onstabiel.
Onderzoekers van de Universiteit van Rochester, VS hebben waterstof gegenereerd met behulp van nanokristallen, zonlicht en een goedkope nikkelkatalysator die continu brandstof kan produceren zonder vertragen.
Nanokristallen
Nanokristallen hebben door hun beperkte omvang minder gebreken. nanokristallen hebben een zeer klein inwendig volume en zijn vrijwel alle oppervlakte en de binnenste onzuiverheden kunnen gemakkelijk de korte afstand naar het oppervlak migreren en worden uitgeworpen door doping. Doping is het toevoegen van onzuiverheden die elektronen bevatten om op een gecontroleerde manier elektrische geleiding mogelijk te maken. De fysieke eigenschappen van deze kristallen worden bepaald door het grensvlak tussen de kern en de schaal.
Op nanoschaal zou doping kunnen leiden tot een scala aan technologieën, waaronder zonnecellen, lichtgevende dioden, lasers of displays, elektroluminescente apparaten en elektronische apparaten.
Het systeem
Kunstmatig fotochemisch waterstofgenererend systeem bevat cadmiumselenide-kwantumdots, nikkelzoutkatalysatoren en ascorbinezuur. Het systeem bij het werken met water heeft een kwantumefficiëntie van 36% voor elke 100 geabsorbeerde fotonen en produceert 36 waterstofmoleculen. Voor een oplossing van een mengsel van water en ethanol stijgt het rendement tot 66%. Het ascorbinezuur werkt als elektronendonor, raakt op en moet tijdens elke waterstofproductiecyclus regelmatig worden aangevuld.
Werken
De onderzoekers leggen uit dat CdSe-kwantumdots twee fotonen van licht absorberen en twee elektronen naar de Ni-katalysator overdragen, waardoor deze twee protonen kan opnemen om waterstof te produceren door lokaal de noodzakelijke katalysator te vormen uit de kwantumdot-liganden. De katalysator-nanokristallen paren zijn beter dan andere kunstmatige fotosynthese-nanodeeltjessystemen omdat ze stabieler zijn tegen zonlicht.
Toepassingen
De bevinding kan erg belangrijk zijn voor groene-energietoepassingen en ook voor bepaalde industriële processen zoals die voor de productie van ammoniak in het Haber-proces.