یک فوتوکاتالیست حساس به رنگدانه توسط محققان ژاپنی ساخته شده است که کارآمدترین فعالیت تقسیم آب خورشیدی برای کاتالیزورهای مشابه را ثبت کرده است. این کاتالیست نانو ورقه‌ای اصلاح شده و حساس به رنگدانه می‌تواند مشکل انتقال نامطلوب الکترون را رفع کند و فعالیت تقسیم آب را صدها برابر بهبود بخشد.
افزایش بازده واکنش شکافت آب با فوتوکاتالیست اصلاح شده با رنگ
یکی از ساده‌ترین راه‌هایی که می‌توان مولکول‌های آب را به هیدروژن تقسیم کرد، استفاده از فوتوکاتالیست‌ها است. فوتوکاتالیست‌ها، نیمه‌هادی‌هایی هستند که می‌توانند نور را جذب کرده و واکنش‌های شکافت آب را به طور همزمان انجام دهند از این رو یک راه ساده برای تولید انبوه هیدروژن ارائه می‌کنند. نیمه‌هادی‌ها می‌توانند یک جفت الکترون-حفره برای واکنش شکافت آب تولید کنند. با این حال، از آنجایی که حامل‌های بار، تمایل به ترکیب مجدد دارند، یک سیستم فوتوکاتالیستیZ-scheme شامل دو ماده نیمه‌رسانا و یک واسطه الکترونی برای جلوگیری از این پدیده، ایجاد شده است.
در موادZ-scheme ، واسطه الکترونی که معمولاً یک جفت گیرنده/دهنده الکترون برگشت‌پذیر (مانند I3–/I– ) است، الکترون‌ها را از یکی از فوتوکاتالیست‌ها می‌پذیرد و به دیگری اهدا می‌کند. این پدیده حامل‌های بار را بین نیمه‌هادی‌ها مجزا می‌کنند و احتمال بازترکیب الکترون را کاهش می‌دهد. علیرغم کاهش بازترکیب بار در نیمه‌هادی‌ها، گونه‌های پذیرنده الکترون (I3-) با فوتوکاتالیست هیدروژن برای الکترون‌ها رقابت می‌کند و در نتیجه بازده تبدیل انرژی خورشید به هیدروژن، کاهش می‌یابد.
برای افزایش بازده تولید هیدروژن، تیمی از محققان بین‌المللی، از جمله استادیار شونتا نیشیکا و پروفسور کازوهیکو مائدا از موسسه فناوری توکیو (Tokyo Tech) روی راه‌هایی برای جلوگیری از انتقال ناخواسته الکترون کار می‌کنند.
در آزمایش با فوتوکاتالیست‌های نیوبات حساس شده به رنگ روتنیم (Ru) با فرمول شیمیایی Ru/Pt/HCa2Nb3O10، محققان متوجه شدند که تولید هیدروژن در غلظت‌های پایین I3– به طور قابل‌توجهی افزایش می‌یابد. این یافته‌ها آن‌ها را به ایجاد یک سیستم شکافت آب کارآمد هدایت کرد که متشکل از یک فوتوکاتالیست تولید اکسیژن و یک نانو ورق نیوبات حساس شده با رنگدانه Ru اصلاح شده است که به عنوان یک فوتوکاتالیست تولید هیدروژن با بازده بالاتر، عمل می‌کند.
پروفسور مائدا می‌گوید: «ما با استفاده از یک فوتوکاتالیست نانو ورق حساس‌شده با رنگ اصلاح‌شده، کارایی سیستم شکافت آب را با موفقیت بهبود بخشیده‌ایم.»
برای پایین نگه داشتن غلظت I3– در سیستم واکنش، یک فوتوکاتالیست PtOx/H-Cs-WO3 به عنوان کاتالیزور تولید اکسیژن استفاده می‌شود. در همان زمان، Al2O3 و پلی استایرن سولفونات (PSS) برای سرکوب انتقال نامطلوب الکترون از نیمه‌هادی به کمپلکس Ru اکسید شده و یون I3– اضافه می‌شود.
این طراحی، الکترون‌های بیشتری را قادر می‌سازد تا در واکنش تولید هیدروژن شرکت کنند، که در نتیجه کارآمدترین سیستم شکافت آب از نوع Z-scheme تا به امروز است.
پروفسور مائدا می‌گوید: «اصلاح سطح فوتوکاتالیست نانو ورق حساس شده با رنگدانه، فعالیت شکافت آب خورشیدی را در مقایسه با سیستم‌های فوتوکاتالیست مبتنی بر نیمه‌هادی معمولی نزدیک به ۱۰۰ برابر بهبود بخشیده است.»
با مهار انتقال نامطلوب الکترون، فوتوکاتالیست توسعه‌یافته می‌تواند تولید هیدروژن را در شدت نور کم حفظ کند و در مقایسه با سایر فوتوکاتالیست‌هایی که به شدت نور بالا نیاز دارند برتری می‌دهد.
