Măsurători în timp real ale oxigenului dezvăluie pierderi ascunse în descompunerea apei prin energie solară
O nouă tehnică dezvoltată la Imperial College London măsoară producția de oxigen în timp real, dezvăluind pierderi ascunse în procesul de descompunere a apei prin energie solară. Cercetătorii au descoperit că intensitatea curentului electric nu corespunde întotdeauna cantității de oxigen generat în hematit, unul dintre cele mai studiate materiale din acest domeniu, ceea ce indică o limitare necunoscută anterior a reacției chimice.
Studiul a fost condus de Dr. Flurin Eisner, fost cercetător în cadrul Departamentului de Materiale de la Imperial College London și în prezent la Queen Mary University of London, împreună cu Dr. Daniele Benetti de la Departamentul de Chimie al Imperial College London. Au colaborat profesorul Ifan Stephens de la Departamentul de Materiale și profesorul James Durrant de la Departamentul de Chimie. Rezultatele au fost publicate în Journal of the American Chemical Society.
Comutatorul de selectivitate și eficiența producției de oxigen
Echipa a identificat ceea ce au descris drept un „comutator de selectivitate”. La niveluri scăzute de curent, o parte semnificativă a sarcinii electrice a fost direcționată către reacții de suprafață concurente, în detrimentul producerii de oxigen. Odată ce suficientă sarcină pozitivă s-a acumulat la suprafața materialului, generarea de oxigen a devenit mult mai eficientă, eficiența producției de oxigen crescând până la aproximativ 80%.
Același comportament a fost observat și atunci când reacția a fost declanșată electric, în întuneric, ceea ce sugerează că este o proprietate fundamentală a hematitului, nu un fenomen specific reacțiilor stimulate de lumină. Descoperirile contestă presupunerea larg răspândită că intensitatea curentului electric reflectă întotdeauna cantitatea de oxigen produsă, oferind cercetătorilor o metodă mai precisă de a identifica și îmbunătăți materialele pentru viitoarele tehnologii de combustibili solari și hidrogen verde.
Dezvoltarea unui instrument personalizat
Descoperirea a fost posibilă datorită unei platforme personalizate de spectrometrie de masă fotoelectrochimică (PEC-MS), dezvoltată la facilitatea Royce de la Imperial, din White City. Cercetătorii au adaptat un sistem de spectrometrie de masă electrochimică într-o platformă capabilă să funcționeze sub iluminare și să măsoare producția de oxigen în timp real, cu o sensibilitate deosebită.
Platforma PEC-MS rezultată a permis echipei să ilumineze simultan o probă, să măsoare fotocurentul și să monitorizeze direct generarea de oxigen pe măsură ce reacția avansa, făcând posibilă compararea producției de oxigen cu curentul electric și dezvăluind un comportament care altfel ar fi rămas ascuns.
Eisner a declarat: „Accesul la echipamentul EC-MS de la Royce Imperial, împreună cu sprijinul pentru dezvoltarea unei celule compatibile cu lumina, au făcut posibil acest studiu. Sensibilitatea sa ne-a permis să măsurăm oxigenul la viteze de reacție la care curentul singur ar fi oferit o imagine incompletă.”
Stephens a afirmat: „Sunt foarte mândru că am jucat un rol mic în acest studiu. Este uimitor să vezi cum multiple tehnici împreună, în acest caz electrochimia, spectroscopia optică operando și spectrometria de masă electrochimică, ne pot face să regândim înțelegerea mecanismului unei reacții.”
Îmbunătățirea tehnologiilor de combustibili solari
Descoperirile ar putea ajuta cercetătorii să dezvolte și să evalueze mai precis materiale noi pentru producția de combustibili solari. Echipa intenționează acum să aplice această abordare și altor materiale oxidice metalice și să exploreze potențialul său într-o gamă mai largă de reacții de conversie energetică, inclusiv reducerea dioxidului de carbon și a azotului.
