Fotokatalityczna produkcja wodoru

Reakcje fotokatalityczne są inicjowane promieniowaniem ultrafioletowym, widzialnym lub podczerwonym i przebiegają w obecności fotokatalizatorów absorbujących wymienione promieniowania i przyśpieszających zachodzenie przemian chemicznych. Fotokataliza może być wykorzystana do produkcji wodoru poprzez bezpośredni rozkład wody, ale również fotoreforming niektórych substancji organicznych, prowadzony zarówno w fazie ciekłej jak i gazowej. Zainteresowanie fotokatalitycznym rozkładem wody miało miejsce już ok. 50 lat temu, w czasie kryzysu naftowego, kiedy usilnie poszukiwano alternatywnych dla ropy naftowej źródeł energii. Od tego czasu notowany jest systematyczny postęp w rozwoju technologii produkcji wodoru opartych na procesach fotokatalitycznych.

Główną przeszkodą ograniczającą praktyczne zastosowanie fotokatalizy do przeprowadzania reakcji chemicznych (np. produkcji wodoru poprzez rozkład wody) jest fakt, że prawie wszystkie stosowane jako fotokatalizatory materiały półprzewodnikowe pochłaniają światło o długości fali krótszej niż 400 nm, czyli mniej niż 5% widma słonecznego. Ponadto procesy fotokatalityczne przebiegają z niską wydajnością kwantową, ze względu na wysoką szybkość rekombinacji par elektron-dziura zachodzącej pod wpływem światła w fotokatalizatorach. Główne działania mające wyeliminować te ograniczenia polegają na zwiększeniu zdolności absorpcji światła widzialnego przez półprzewodniki (fotokatalizatory) dzięki modyfikacji ich struktury elektronowej, co uzyskuje się w wyniku wprowadzenia do bazowego materiału specjalnych domieszek, m.in. barwników czy metali szlachetnych (np. Pt, Au, Pd lub Ag).

Badania w dziedzinie fotokatalitycznego rozkładu wody celem produkcji wodoru koncentrują się obecnie przede wszystkim na opracowywaniu nowych materiałów będących w stanie efektywnie wykorzystywać światło słoneczne i na rozwoju urządzeń w których proces ten może być realizowany. Najczęściej stosowanym do rozkładu wody fotokatalizatorem jest ditlenek tytanu (TiO2). Wynika to przede wszystkim z jego relatywnie wysokiej aktywności, chemicznej odporności, nietoksyczności i niskiej ceny. Dużo wysiłku badawczego poświęcono także alternatywnym materiałom półprzewodnikowym, w tym mieszankom tlenków metali o złożonej strukturze krystalograficznej. Nowo opracowywane kompozycje fotokatalizatorów tworzone są ze związków, które pozwalają uzyskiwać właściwe struktury krystaliczne (tutaj najczęściej stosowane są związki pierwiastków I, II i III grupy układu okresowego). Metale takie jak Ti, Zr, V, Nb, Ta, Mo i W oraz pierwiastki ziem rzadkich, takie jak Ce, Pr, Nb i Sm, a także Cu, Ag, Zn, Cd, Ga, In, Ge, Sn, Pb i Bi, są wykorzystywane do komponowania fotokatalizatorów o stosownej strukturze krystalograficznej i korzystnych parametrach energetycznych.