当前，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，它们有在不久的将来耗尽的危险。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开发受到了广泛的关注，并且该领域正在开展各种研究项目。

在人工光合作用过程中，光催化剂通过水分解反应产生氧气(O 2)。Onishi Hiroshi教授等与金泽大学，信州大学和东京大学的研究人员合作。神户大学理学研究科的研究人员开发了一种测量评估方法，该方法能够比传统方法更快地检测O 2 1000倍。希望通过这项研究开发的方法可以用于增进我们对人工光合作用背后的反应机制的理解，并有助于开发可在现实世界中实施的光催化剂。

人们已经认识到尽快公布这些研究结果的重要性;该论文发表在化学学会的ACS Catalysis杂志上，并于2020年10月29日进行了高级在线发布。

研究背景

可以用来从阳光和水产生化学能(氢燃料)的人造光合作用因其提供不排放CO 2的能源的潜力而备受关注。光催化剂是人造光合作用的关键组成部分。研究人员在1970年代发现和开发了第一种光催化剂材料，并且在过去的50年中，世界各地的科学家一直在努力提高其效率。

当前的研究使用了钛酸锶(SrTiO 3)光催化剂，该催化剂最初是由特殊合同教授Domen Kazunari等人开发的。信州大学(本研究的特聘研究员)。由于信州大学副教授HISATOMI Takashi等人做出的各种改进。(也是杰出的研究者)，这种光催化材料实现了世界上最高的反应产率(即，通过紫外线照射从水中转化为氢的效率)。最后剩下的问题是提高水和阳光产生的氢的效率，而不是人造紫外线。克服这个问题将意味着CO诞生2 -免费氢燃料 生产可以被社会利用的技术。

然而，阻碍努力提高转化效率的一个因素是当还产生氢气时从水中产生的氧气的低比率。为了通过人工光合作用从水(H2O)生成氢(H2)，必须进行以下化学反应：2H 2 O→2H 2 + O 2。尽管目标是生产氢气(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生产氧气，以便生产氢气。

此外，产生氧的过程比产生氢的过程更复杂，因此使得难以提高反应效率(取自两个H 2 O颗粒的氧原子必须彼此粘附)。这是一个瓶颈，限制了使用阳光从水中有效转化氢的能力。

解决方案是提高氧气从水中的转化效率，但这不是一件容易的事。尚不清楚如何从水中产生氧气(即反应背后的机理)，因此试图改善该反应类似于在黑暗中工作。为了阐明这种情况，本研究旨在开发一种高速检测方法，以观察人工光合作用产生的氧气，以揭示水与氧气反应的机理。

研究方法论

这项研究利用了金泽大学教授高桥康夫等人开发的使用微电极的水下化学分析方法。(研究人员)作为基础技术。人工光合作用光催化剂产生的氧气在重新合并到水中时被检测到。如图1所示，钛酸锶锶光催化剂板浸没在水中。将微电极由20微米的铂丝(大约为人类头发的1/4)组成，其侧面涂在玻璃上，然后将其从光催化剂面板的表面下放至100微米的水中。

当用来自发光二极管的紫外线(波长为280nm)照射光催化剂板时，氧(O 2)和氢(H 2)从与板接触的水中解离。这些氧和氢分子随后被释放到水中。释放的氧气散布在整个水中并到达微电极。即达到了微电极的氧接收从导致转化后的电极4个电子(e - )：o 2 + 2H 2 O + 4E - →4OH - 。

可以通过测量流过电极的电流来确定由氧从电极接收的电子数。每隔0.1秒测量一次通过电极的电流，研究人员就可以计算每隔0.1秒到达电极的氧气量。迄今为止，气相色谱检测是用于氧气检测的分析设备，每三分钟只能测量一次氧气量。这项研究成功地开发了一种速度快1000倍的检测方法。

计算氧气穿过水从光催化剂面板到电极的100微米距离所需的时间并不难。这可以通过根据Fick扩散定律在台式计算机上进行数值模拟来实现。将由微电极获得的测量结果与模拟结果进行比较，发现在被紫外线照射的光催化剂面板与释放到水中的氧气之间存在一到两秒的延迟。这种延迟是气相色谱检测无法观察到的新现象。

认为该延迟是被照亮的光催化剂开始水分解的必要的准备阶段。除了研究光催化剂在准备阶段的作用之外，未来的研究还将寻求验证这一假设。然而，可以预期的是，这项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。

神户大学理学研究科大西弘志教授说：“我是物理化学专家，2015年，我想到了使用微电极检测通过人工光合作用产生的氧气的想法。在神户大学，我们建立了由使用微电极进行化学分析的专家Takahashi等人开发的测量仪器，并开始将其应用于光催化剂。

“通过改进该设备并积累有关其操作的专门知识，我们证实了该方法能够测量由光催化剂研究机构Domen教授和Hisatomi副教授等人提供的光催化剂面板产生的氧气。

“此外，从开发用于数值模拟的计算机程序到发现'氧气释放延迟'的五年期间，神户大学理学研究生院的三名研究生在这项研究中处于领先地位。 。

“这三个团队将物理化学，分析化学和催化剂化学各自领域的独特特征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新的视角。”

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