Em primeiro lugar, um fotocatalisador sensibilizado por corante que facilita a atividade de separação de água solar mais eficiente registrada até o momento (para catalisadores semelhantes) foi otimizado por pesquisadores da Tokyo Tech. Seu catalisador de nanofolhas sensibilizado por corante e modificado na superfície mostra um imenso potencial, pois pode suprimir a transferência indesejável de elétrons de volta e melhorar a atividade de divisão da água em até cem vezes.
Uma das maneiras mais simples pelas quais as moléculas de água podem ser divididas em hidrogênio é usando fotocatalisadores. Esses materiais, que são semicondutores que podem absorver luz e realizar reações de divisão de água simultaneamente, fornecem uma configuração simples para a produção em massa de hidrogênio. Os semicondutores podem gerar um par elétron-buraco para a reação de separação da água; no entanto, uma vez que os portadores de carga tendem a se recombinar, um sistema fotocatalítico de "esquema Z" envolvendo dois materiais semicondutores e um mediador de elétrons foi desenvolvido para suprimir isso.

Nesta configuração, o mediador de elétrons, que normalmente é um par reversível de aceptor/doador de elétrons (como I₃ ^- /I ^- ), recebe elétrons de um dos fotocatalisadores e os doa para o outro. Isso separa os portadores de carga entre os semicondutores. Apesar de eliminar a recombinação de carga dentro do semicondutor, as espécies que aceitam elétrons (I₃ ^- ) compete com o fotocatalisador de hidrogênio por elétrons, resultando em baixa eficiência de conversão de energia solar para hidrogênio.

Para melhorar a produção de hidrogênio, uma equipe de pesquisadores internacionais, incluindo o professor assistente especialmente nomeado Shunta Nishioka e o professor Kazuhiko Maeda, do Instituto de Tecnologia de Tóquio (Tokyo Tech), vem trabalhando em maneiras de evitar a transferência não intencional de elétrons. Ao experimentar com fotocatalisadores de niobato sensibilizados por corante de rutênio (Ru) (Ru/Pt/HCa₂ Nb₃ O₁₀ ), os pesquisadores notaram que a produção de hidrogênio aumenta significativamente em I₃ ^- concentrações. Essas descobertas os levaram a desenvolver um sistema eficiente de separação de água que consiste em um fotocatalisador de evolução de oxigênio e uma nanofolha de niobato sensibilizada por corante Ru modificado que funciona como um melhor fotocatalisador de evolução de hidrogênio. "Melhoramos com sucesso a eficiência de um sistema geral de divisão de água do esquema Z usando um fotocatalisador de nanofolhas sensibilizado por corante modificado na superfície", diz o Prof. Maeda. Os resultados de seu estudo foram publicados na revista Science Advances .

Para manter o I₃ ^- concentração no sistema de reação baixa, um PtO_x /H-Cs-WO₃ fotocatalisador é usado como o catalisador de evolução de oxigênio. Ao mesmo tempo, Al₂ O₃ e poli(estirenossulfonato) (PSS) é adicionado para suprimir a transferência de elétrons de volta do semicondutor para o complexo de Ru oxidado e o I₃ ^- íon, respectivamente. Esse design permite que mais elétrons participem da reação de evolução do hidrogênio, resultando no sistema de divisão de água do esquema Z mais eficiente até hoje. "A modificação da superfície do fotocatalisador de nanofolhas sensibilizado por corante melhorou a atividade de separação da água solar em quase 100 vezes, tornando-o comparável aos sistemas fotocatalisadores convencionais baseados em semicondutores", diz o Prof. Maeda.

Com a transferência de elétrons de volta suprimida, o fotocatalisador desenvolvido também pode manter a produção de hidrogênio em baixos níveis de luz, dando-lhe uma vantagem sobre outros fotocatalisadores que exigem alta intensidade de luz. Além disso, minimizando o impacto das reações de transferência de elétrons de volta, os pesquisadores não apenas estabeleceram uma nova referência para fotocatalisadores sensibilizados por corantes para divisão de água em esquema Z, mas também estabeleceram a estrutura para melhorar outros sistemas sensibilizados por corantes que são usados ​​para outras reações importantes, como CO₂ redução. + Explorar mais

Divisão da água usando vanadato de bismuto