การผลิตไฮโดรเจนที่มีประสิทธิภาพด้วย MOF tioh₂และทองแดง

ในบทความล่าสุดที่ตีพิมพ์ในวารสาร วัสดุการทำงานขั้นสูงนักวิทยาศาสตร์ได้แนะนำวิธีการใหม่โดยใช้วัสดุคอมโพสิตที่ทำจากไทเทเนียมไดออกไซด์ (THIO₂) ร่วมกับมีดโกนโลหะทองแดง (MOF) โดยเฉพาะ HKUST-1

เป้าหมายคือการพัฒนา photocatalizers ที่มีประสิทธิภาพและยาวนานซึ่งสามารถสร้างไฮโดรเจนจากการเสียสละและเมทานอลเบนได้โดยอาศัยโลหะมีค่า

จุดประสงค์ที่สำคัญของการศึกษาคือการเพิ่มประสิทธิภาพสัมประสิทธิ์มวลระหว่าง HKUST-1 และ TIO เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพโฟโตคะตาไลติก การวิจัยยังตรวจสอบบทบาทสำคัญของทองแดงในประสิทธิภาพโดยรวมของวัสดุที่ซับซ้อนเหล่านี้

พื้นหลัง

Photocatalization นำเสนอเส้นทางที่มีแนวโน้มสำหรับการผลิตเชื้อเพลิงไฮโดรเจนอย่างยั่งยืนโดยใช้พลังงานแสงอาทิตย์เป็นทรัพยากรที่สะอาดและอุดมสมบูรณ์ ไทเทเนียมไดออกไซด์ (Thio₂) เป็นจุดโฟกัสมานานในสาขานี้ด้วยความเสถียรทางเคมีและรอยแยกวงที่เหมาะสม

อย่างไรก็ตามข้อ จำกัด หลักอย่างหนึ่งของTio₂นั้นเกี่ยวกับการรวมตัวกันอย่างรวดเร็วของคู่อิเล็กตรอนที่ถ่ายภาพซึ่งเป็นอุปสรรคต่อประสิทธิภาพของโฟโตคะตาไลติกโดยรวม

เพื่อแก้ปัญหานี้นักวิทยาศาสตร์เสนอให้รวมทองแดงในรูปแบบของกรอบโลหะ (MOF) โดยเฉพาะ HKUST-1 ความสามารถของทองแดงที่มีอยู่ในสถานะออกซิเดชันจำนวนมากแนะนำกลไกการถ่ายโอนอิเล็กตรอนที่ไม่ซ้ำกันซึ่งสามารถปรับปรุงบทผู้ให้บริการชาร์จและเพิ่มประสิทธิภาพโฟโตคะตาไลติก

การศึกษาครั้งนี้แสดงให้เห็นว่าการทำงานร่วมกันระหว่างสายพันธุ์ Thio และ Copper ใน HKUST-1 สามารถให้ความเร็วในการผลิตไฮโดรเจนซึ่งแม้จะมีค่ามากกว่าที่ประสบความสำเร็จในกรณีของตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะมีค่า

การศึกษาในปัจจุบัน

การวิจัยรวมถึงการสังเคราะห์วัสดุนาโนที่ซับซ้อนโดยการเปลี่ยนค่าสัมประสิทธิ์มวล HKUST-1 และTIO₂ เพื่ออธิบายคุณสมบัติเชิงโครงสร้างและแสงของพวกเขาทีมใช้เครื่องมือวิเคราะห์จำนวนมากรวมถึงกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่งสัญญาณ (TEM), สเปกโทรสโกปีที่มองเห็นได้บน UV, อินฟราเรดสเปกโทรสโกปี (FTIR) ฟูริเยร์ (FTIR)

การนำไฟฟ้าไมโครเวฟที่มีความละเอียดในเวลาเพื่อทดสอบพลวัตของผู้ให้บริการชาร์จถูกนำมาใช้ ในเวลาเดียวกันการคำนวณทฤษฎีความหนาแน่นของการทำงาน (DFT) ให้ข้อมูลเชิงลึกเกี่ยวกับโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์และการมีปฏิสัมพันธ์ระหว่างทองแดงและTio₂ในระหว่างการผลิตไฮโดรเจน

การศึกษาการผลิตโฟโตคะตาไลติกของไฮโดรเจนได้รับการศึกษาภายใต้แสง UV โดยใช้น้ำและเมทานอลเป็นตัวแทนการเสียสละและมีการปฏิบัติตามในหลาย ๆ รอบเพื่อประเมินเสถียรภาพระยะยาว

ผลลัพธ์และการอภิปราย

การศึกษาแสดงให้เห็นว่าอัตราส่วนมวล 1:20 HKUST-1 ถึงTio₂ให้ความเร็วสูงที่สุดของการวิวัฒนาการของไฮโดรเจนโดยเริ่มจาก 5.11 mmol g⁻ah⁻a

ที่น่าสนใจประสิทธิภาพได้รับการปรับปรุงด้วยการใช้ซ้ำ ๆ ถึง 13.24 mmol g⁻ah⁻aหลังจากหกรอบโฟโตคะตาไลติก เกินจุดอ้างอิงของน้ำหนัก 1

ความสามารถที่ดีขึ้นของคอมโพสิตนั้นเกี่ยวข้องกับผลเสริมฤทธิ์กันระหว่างสายพันธุ์ thio และทองแดงใน HKUST-1 ทองแดงเพิ่มการแยกผู้ให้บริการขนส่งสินค้าโดยการทำให้อิเล็กตรอนเสถียรในระหว่างกิจกรรมโฟโตคะตาไลติก

ข้อมูลเกี่ยวกับการนำไฟฟ้าไมโครเวฟที่มีความละเอียดในเวลายืนยันสิ่งนี้แสดงการลดลงของการรวมตัวกันของอิเล็กตรอน ศูนย์ทองแดงภายในอิเล็กตรอนถ่ายภาพ HKUST-1 ทำความสะอาดได้อย่างมีประสิทธิภาพด้วยพฤติกรรมย้อนกลับของรีดอกซ์ (Cu (II) ↔ Cu (I)/Cu (0)) มีบทบาทสำคัญในการส่งและการใช้การชาร์จ

การทดสอบเปรียบเทียบโดยใช้ THIO -modified Copper ออกไซด์ (COO) แสดงให้เห็นถึงประสิทธิภาพของไฮโดรเจนที่ต่ำกว่ามากโดยเน้นว่าไอออนทองแดงที่ฝังตัว MOF นั้นมีการเปลี่ยนแปลงของโหลดที่มีประสิทธิภาพมากกว่าทองแดงออกซิไดซ์เอง

พื้นผิวสูงและโครงสร้าง HKUST-1 ที่มีรูพรุนนอกจากนี้ยังมีส่วนช่วยเพิ่มประสิทธิภาพโดยการส่งเสริมการดูดซับแสงที่ดีขึ้นและความพร้อมของรีเอเจนต์

กลไกที่นำเสนอของกระบวนการโฟโตคะตาไลติกอธิบายถึงวิธีการภายใต้แสง UV อิเล็กตรอนในTio₂รู้สึกตื่นเต้นจากแถบวาเลนซ์ไปยังแถบการนำไฟฟ้าทิ้งรูที่ขับออกซิเดชันของน้ำ

จากนั้นอิเล็กตรอนจะถูกถ่ายโอนไปยัง nanoclasters ทองแดงซึ่งการลดลงบางส่วนของ Cu (II) ช่วยปรับปรุงการแยกโหลด สิ่งนี้ไม่เพียง แต่ช่วยลดการรวมตัวกันใหม่ แต่ยังช่วยให้เกิดการก่อตัวของไฮโดรเจนในสถานที่ทองแดง การคำนวณ DFT เสริมสร้างกลไกนี้แสดงให้เห็นว่าอะตอมทองแดงสนับสนุนวิวัฒนาการของไฮโดรเจนผ่านการปฏิสัมพันธ์ทางอิเล็กทรอนิกส์ที่ดี

แอปพลิเคชัน

การตรวจสอบนี้หมายถึงขั้นตอนที่สำคัญในการพัฒนาโฟโตคะทาลิสต์โลหะที่มีประสิทธิภาพและไม่ได้รับการผลิตสำหรับการผลิตไฮโดรเจน

การเพิ่มประสิทธิภาพอัตราส่วนของ HKUST-1 ต่อ TIO นักวิทยาศาสตร์ได้บรรลุตัวชี้วัดการผลิตไฮโดรเจนที่ไม่เหมือนใครซึ่งแข่งขันและเกินตัวชี้วัดของความกลัวที่เกี่ยวข้องกับระบบแพลตตินัมที่เกี่ยวข้องกับโลหะมีค่า

การค้นพบเน้นความสำคัญของความยืดหยุ่นของรีดอกซ์ทองแดงและข้อได้เปรียบเชิงโครงสร้างของ MOF ในการเพิ่มประสิทธิภาพโฟโตคะตาไลติก

การสังเกตเหล่านี้เปิดประตูสู่การสำรวจคอมโพสิตที่ใช้ MOF สำหรับการใช้พลังงานบริสุทธิ์นำเสนอเส้นทางที่แท้จริงไปสู่การผลิตไฮโดรเจนที่ยั่งยืนและปรับขนาดได้มากขึ้น

การอ้างอิงของวารสาร

Khan A. , Pivert M. และ Al. (2025) การจัดส่ง MOF/TIO₂ วัสดุนาโนคอมเพล็กซ์ที่ซับซ้อนสำหรับการผลิตโฟโตคะตาไลติกไฮโดรเจนและบทบาทของทองแดง วัสดุการทำงานขั้นสูง– ดอย: 10.1002/ADFM.202501736