神户大学 图1:用微电极检测人工光合作用产生的氧气
学分:神户大学 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有枯竭的危险
因此，利用光催化剂从太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极大的关注，并且在该领域正在进行各种研究项目
在人工光合作用中，光催化剂通过水分解反应产生氧气(O2)
与金泽大学、新潟大学和东京大学的研究人员合作，大西博史教授等
神户大学科学研究生院开发了一种测量评估方法，能够比传统方法快1000倍地检测O2
希望通过这项研究开发的方法可以用来提高我们对人工光合成背后的反应机理的理解，并有助于开发可以在现实世界中实现的光催化剂
尽快公开这些研究结果的重要性已经得到承认；发表在美国化学学会杂志《ACS催化》上的论文于2020年10月29日在网上发布
研究背景 人工光合作用可以用来从阳光和水中产生化学能(氢燃料)，由于其提供不排放CO2的能源的潜力而受到了广泛关注
光催化剂是人工光合作用的关键成分
第一种光催化剂材料是由日本研究人员在20世纪70年代发现和开发的，在过去的50年里，全世界的科学家都在不断努力提高它们的效率
目前的研究使用了钛酸锶(钛酸锶)光催化剂，它最初是由特别合同教授多门·卡祖纳里等人开发的
信州大学教授(这项研究的贡献研究员)
由于信州大学的高石久富副教授等人的各种改进
(也是贡献的研究者)，这种光催化材料达到了最高的反应产率(I
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通过紫外光照射从水中转化氢的效率)
最后剩下的问题是提高水和阳光产生氢气的效率，而不是人工紫外线
解决这个问题意味着可以被社会利用的无二氧化碳氢燃料生产技术的诞生
然而，阻碍提高转化效率的一个因素是当氢气也在产生时，从水中产生的氧气的速率低
为了通过人工光合作用从水(H2O)中产生氢(H2)，必须发生以下化学反应:2H2O → 2H2 + O2
尽管目标是生产氢气(可被社会用作燃料)而不是氧气，但化学原理要求同时从水中产生氧气，以便产生氢气
此外，产生氧气的过程比产生氢气的过程更复杂，因此难以提高反应的效率(从两个H2O粒子获得的氧原子必须相互粘附)
这是限制利用阳光从水中有效转化氢的瓶颈
一个解决办法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
氧气是如何从水中产生的还不太清楚
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反应背后的机制)，因此试图改善这种反应类似于在黑暗中工作
为了揭示这种情况，本研究旨在开发一种高速检测方法，观察人工光合作用产生的氧气，以揭示水与氧气反应背后的机理
研究方法 本研究采用金泽大学的TAKAHASHI Yasufumi教授等人开发的微电极水下化学分析方法
(特约研究员)作为底层技术
人工光合作用光催化剂产生的氧气在重新融入水中时被检测到
如图1所示，钛酸锶光催化剂板浸没在水中
该微电极由一根20微米的铂丝(约一根人的头发)组成，其侧面涂有玻璃，将其放入水中，距离光催化剂面板表面100微米
当光催化剂面板被来自发光二极管的紫外光(波长为280纳米)照射时，氧气(O2)和氢气(H2)从与面板接触的水中解离
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
到达微电极的氧从电极接收到四个电子(e-)导致以下转变:O2+2H2O+4e→4OH
氧从电极接收的电子数量可以通过测量流经电极的电流来确定
每隔0度测量通过电极的电流
1秒钟使研究人员能够计算每0
1秒
气相色谱检测是迄今为止用于氧气检测的分析仪器，只能每三分钟测量一次氧气量
这项研究成功开发了一种速度快1000倍的检测方法
计算氧气通过水从光催化剂板到电极的100微米距离所需的时间并不困难
这可以通过基于菲克扩散定律在台式计算机上进行数值模拟来实现
将从微电极获得的测量结果与模拟结果进行比较，发现在光催化剂面板被紫外光照射和氧气被释放到水中之间存在一到两秒的延迟
这种延迟是一种新现象，不能通过气相色谱检测来观察
据信这种延迟是受照光催化剂开始分水的必要准备阶段
除了研究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，预计本研究中开发的氧检测方法(比以前的检测方法快1000倍)将导致人工光合作用的新发展
神户大学科学研究生院的大西博史教授说:“我是一名物理化学专家，2015年，我想到了用微电极检测人工光合作用产生的氧气的想法
在神户大学，我们安装了高桥教授等人开发的测量仪器
，他们是使用微电极进行化学分析的专家，并开始将其应用于光催化剂
“通过改进仪器和积累操作知识，我们验证了该方法能够测量由多门教授和久富副教授等人提供的光催化剂板产生的氧气
谁是光催化剂研究的权威
“此外，神户大学科学研究生院的三名研究生在这项研究的五年时间里处于领先地位，从开发数值模拟的计算机程序到发现‘氧气释放延迟’
“这三个团队将他们各自的物理化学、分析化学和催化剂化学领域的鲜明特点带到了这项研究的发展中
通过这次合作，我们成功地为人工光合作用科学贡献了一个新的视角
"
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