检测光催化生成氧的新方法对清洁能源有影响

目前，世界人口消耗的大部分能源来自石油和其他不可再生资源，这些资源在不久的将来就会耗尽。

因此，利用光催化剂从阳光和水中产生化学能(氢燃料)的人工光合作用方法的发展受到了广泛关注，并在这一领域开展了各种研究项目。

在人工光合作用中，氧(O₂)是由光催化剂通过水裂解反应产生的。神户大学科学研究生院的ONISHI Hiroshi等人与金泽大学、神州大学和东京大学的研究人员合作，开发了一种能够检测O欧洲杯线上买球₂比传统方法快1000倍。

希望通过本研究开发的方法可以提高我们对人工光合作用背后的反应机制的理解，并为开发可在现实世界中实施的光催化剂做出贡献。

尽快公布这些研究成果的重要性已被认识到;这篇论文发表在美国化学学会杂志上ACS催化已于2020年10月29日提前在网上发布。

研究背景

利用阳光和水产生化学能(氢燃料)的人工光合作用，因其提供一种不释放CO的能源的潜力而受到广泛关注₂．光催化剂是人工光合作用的关键组成部分。

20世纪70年代，日本研究人员发现并开发出了第一种光催化剂材料，在过去的50年里，世界各地的科学家一直在努力提高其效率。

目前的研究使用钛酸锶(SrTiO_3.)光催化剂，最初由神州大学的DOMEN Kazunari等人(本研究的特约研究员)开发。

由于Shinshu的副教授HISATOMI Takashi等人(也是一名贡献研究员)的各种改进，这种光催化材料达到了世界上最高的反应产率(即紫外光照明下水转化氢的效率)。

剩下的最后一个问题是提高利用水和阳光而不是人工紫外线产生氢气的效率。克服这个问题意味着一氧化碳的诞生₂可被社会利用的无氢燃料生产技术。

然而，阻碍提高转化效率的一个因素是，在生产氢气的同时，从水中生产氧气的速度很低。为了生成氢(H₂)从水(H₂O)通过人工光合作用，必须发生以下化学反应:2H₂O - > 2 h₂+ O₂．

尽管目标是产生氢气(可以被社会用作燃料)而不是氧气，但化学原理要求同时从水中产生氧气才能产生氢气。

此外，生成氧的过程比生成氢的过程更为复杂，因此很难提高反应效率(从2h中取氧原子)₂O粒子欧洲杯猜球平台必须相互粘附。)

这是一个瓶颈，限制了利用阳光从水有效转化氢。

一个解决方案是提高从水中转化氧气的效率，然而这不是一件简单的事情。目前还不清楚氧气是如何从水中产生的(即反应背后的机制)，因此，试图改善这个反应类似于在黑暗中工作。

为了阐明这一情况，本研究旨在开发一种高速检测方法来观察人工光合作用产生的氧，揭示水与氧反应的机理。

研究方法

本研究采用金泽大学高桥康文教授等(特约研究员)开发的微电极水下化学分析方法作为基础技术。

人工光合作用光催化剂产生的氧气在它归并到水中时被检测到。如图1所示，钛酸锶光催化剂面板浸在水中。

该微电极由一根20微米的铂丝(约相当于人类头发的¼)组成，两侧涂有玻璃，被放入距离光催化剂面板表面100微米的水中。

当光催化板被发光二极管发出的波长为280nm的紫外光照射时，氧(O₂)和氢(H₂)从接触到仪表板的水中分离出来。

这些氧和氢分子随后被释放到水中。释放的氧气分散在水中，到达微电极。到达微电极的氧得到4个电子(e^-)，导致以下转变:O₂+ 2 h₂O + 4 e^-- > 4哦^-．

氧从电极接收到的电子数可以通过测量流过电极的电流来确定。

通过测量每0.1秒通过电极的电流，研究人员可以计算出每0.1秒到达电极的氧气量。

气相色谱检测是迄今为止用于氧检测的分析仪器，只能每3分钟测量一次氧的量。这项研究成功地开发出了速度快1000倍的检测方法。

计算氧气从光催化剂面板到电极穿过水中100微米的距离所需要的时间并不困难。

这可以通过在台式机上进行基于菲克扩散定律的数值模拟来实现。将微电极的测量结果与模拟结果进行比较，发现光催化剂板被紫外光照射到水中与氧释放之间存在1 ~ 2秒的延迟。

这种延迟是气相色谱检测无法观察到的新现象。

认为这一延迟是被照亮的光催化剂开始水分裂的必要准备阶段。除了调查光催化剂在准备阶段的作用外，未来的研究将试图验证这一假设。

尽管如此，本研究开发的氧检测方法，比以往的检测方法快1000倍，预计将导致人工光合作用的新发展。

研究员评语(神户大学理学院大西浩教授)欧洲杯线上买球

我是一名物理化学专家，2015年我想到了用微电极来检测人工光合作用产生的氧气的想法。在神户大学，我们建立了高桥教授等人开发的微电极化学分析仪器，并开始将其应用于光催化剂。

通过对仪器的改进和操作技术的积累，我们验证了该方法能够测量光催化剂研究领域的权威Domen教授和Hisatomi副教授等提供的光催化剂面板产生的氧气。

此外，神户大学科学研究生院的3名研究生在5年的时间里一直处于这项研究的前沿，从开发用于数值模拟的计算机程序到发现“氧释放延迟”。欧洲杯线上买球

这三个团队将各自在物理化学、分析化学和催化化学领域的独特特点带入了这项研究的发展。通过这次合作，我们成功地为人工光合作用科学提供了一个新的视角。欧洲杯线上买球

研究经费

这项研究得到了日本科学促进协会(JSPS KAKENHI，资助编号JP16H02250和JP19H00915)和日本科学技术振兴厅PRESTO项目(JPMJPR欧洲杯线上买球18T8)的资助。

来源:https://www.kobe-u.ac.jp/en/index.html