Plazmónové fotokatalyzátory zefektívnia premenu CO2 na čisté palivo

0

Naša závislosť od fosílnych palív má škodlivý vplyv na planétu a životné prostredie. Najmä vysoké emisie oxidu uhličitého významne prispievajú k zmene podnebia. Oslobodiť sa od fosílnych palív by nám mohla pomôcť slnečná energia. Výskumný tím na univerzite v Alberte vyvíja plazmonický bimetalový polovodičový fotokatalyzátor, ktorý je veľmi sľubný pri premene CO2 na udržateľné zelené palivá. Schopnosť materiálu viesť elektrinu závisí od hustoty elektrónov v ňom.

V tomto aspekte sú polovodiče v porovnaní s kovmi a izolátormi niekde uprostred. Kovy majú veľa elektrónov, ktoré voľne prúdia medzi atómami, čo z nich robí vynikajúce vodiče. Izolátory sú pravým opakom. Situácia je celkom odlišná pri polovodičoch, kde elektróny obsadzujú dve špecifické energetické úrovne: valenciu a vodivosť, ktoré sú oddelené energetickou medzerou (tzv. zakázaným pásmom). Elektróny z valenčného pásma môžu skákať do vodivostného pásma, keď polovodič absorbuje dostatok energie na preskočenie medzery.

Pohyb záporne nabitých elektrónov zanecháva za sebou kladne nabité otvory vo valenčnom pásme. Tieto elektróny a otvory sa potom dajú využiť na podporu chemických reakcií. Oxid titaničitý (TiO2), ktorý sa bežne nachádza v krémoch na opaľovanie a v povrchových úpravách (napríklad na nepriľnavých panviciach na varenie), je ideálny materiál na polovodičový fotokatalyzátor.

Ako lacná alternatíva, ktorá je nielen vysoko dostupná, ale má nízku toxicitu, je stabilná v kyslom i zásaditom prostredí a odolná proti korózii, je TiO2 už obľúbený umelý fotokatalyzátor, ktorý sa používa na výrobu vodíkového paliva, čistenie odpadových vôd, čistenie vzduchu. Napriek všetkým týmto výhodám komercializácia technológie polovodičových fotokatalyzátorov je pomalá. Väčšina polovodičov vrátane TiO2 primárne absorbuje UV svetlo, ktoré predstavuje iba 4 % spektra slnečnej energie.

Využije sa tak iba zlomok celej šírky pásma slnečnej energie. Navyše väčšina polovodičov trpí nízkou účinnosťou zberu. Na prekonanie týchto prekážok vedci vložili do polovodičových fotokatalyzátorov kovové nanočastice. Tento kompozitný systém slúži na zvýšenie fotokatalytickej aktivity. Keď svetlo svieti na kovovú nanočasticu, elektrické pole tlačí elektróny smerom k jednej strane, čo vedie k hromadeniu negatívnych a pozitívnych nábojov na oboch koncoch nanočastíc. Toto usporiadanie sa nazýva dipól.

Predplatné NEXTECH 2021

Súbory pozitívnych a negatívnych nábojov sa navzájom priťahujú, čo vedie k vlnám nábojov, ktoré kmitajú v kovovej nanočastici ako kyvadlo. Kombinácia svetelnej energie s nabitými časticami v kovových nanočasticiach sa nazýva plazmón a výsledný kompozitný systém je plazmonický fotokatalyzátor. Výskumníci do nanorúrok TiO2 zabudovali nanočastice striebra (Ag) a medi (Cu). Ag a Cu majú silné rezonancie vo viditeľnom infračervenom spektre svetla, ktoré predstavuje asi 95 % svetla dopadajúceho zo Slnka.

Prítomnosť kovových nanočastíc umožňuje lepšie oddelenie elektrónov a otvorov a poskytuje priaznivé podmienky na reakcie, ktoré prebiehajú na povrchu fotokatalyzátora. Výsledný systém je plazmonický bimetalový (AgCu) polovodičový (TiO2) fotokatalyzátor. Systém AgCu-TiO2 prekonal prechádzajúce fotokatalyzátory pri premene CO2 na čisté palivá, ako je etán, s účinnosťou 60,7 percenta. Tieto výsledky demonštrujú potenciál bimetalových plazmónových fotokatalyzátorov nahradiť tradičné fotokatalyzátory ako rozhodujúcu technológiu na fotoredukciu CO2.

Zdroj: massivesci.com.

Zobrazit Galériu

Redakcia

Všetky autorove články

Pridať komentár

Mohlo by vás zaujímať

Mohlo by vás zaujímať