Et strejf af lidelse giver en meget effektiv fotokatalysator

(PhysOrg.com) - En lille lidelse rækker langt, især når det kommer til at udnytte solens energi. Forskere fra det amerikanske energiministerium Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) blandede atomstrukturen af ​​overfladelaget af titandioxid -nanokrystaller, skabe en katalysator, der både er langvarig og mere effektiv end alle andre materialer til at bruge solens energi til at udtrække brint fra vand.

Deres fotokatalysator, som fremskynder lysdrevne kemiske reaktioner, er den første til at kombinere holdbarhed og rekordeffektivitet, gør den til en konkurrent til brug i flere ren-energiteknologier.

Det kan tilbyde en forureningsfri måde at producere brint til brug som energibærer i brændselsceller. Brændselsceller er blevet undersøgt som et alternativ til forbrændingsmotorer i køretøjer. Molekylært brint, imidlertid, findes naturligt på Jorden kun i meget lave koncentrationer. Det skal udvindes fra råstoffer som naturgas eller vand, en energikrævende proces, der er en af ​​hindringerne for den udbredte implementering af teknologien.

”Vi forsøger at finde bedre måder at generere brint fra vand ved hjælp af solskin, ”Siger Samuel Mao, en videnskabsmand i Berkeley Labs Division for Environmental Energy Technologies, der ledede forskningen. "I dette arbejde, vi indførte uorden i titandioxid nanokrystaller, som i høj grad forbedrer dets lysabsorberingsevne og effektivitet ved fremstilling af brint fra vand. ”

Mao er den tilsvarende forfatter til et papir om denne forskning, der blev offentliggjort 20. januar, 2011 i Science Express med titlen “Øget solabsorption til fotokatalyse med sort, Hydrogeneret titandioxid-nanokrystaller. ”Medforfatter af papiret sammen med Mao er andre Berkeley Lab-forskere Xiaobo Chen, Lei Liu, og Peter Yu.

Mao og hans forskningsgruppe startede med nanokrystaller af titandioxid, som er et halvledermateriale, der bruges som fotokatalysator til at fremskynde kemiske reaktioner, såsom at udnytte energi fra solen til at levere elektroner, der deler vand i ilt og brint. Selvom den er holdbar, titandioxid er ikke et meget effektivt fotokatastykke. Forskere har arbejdet med at øge effektiviteten ved at tilføje urenheder og foretage andre ændringer.

Berkeley Lab -forskerne forsøgte en ny tilgang. Ud over at tilføje urenheder, de konstruerede uorden i den normalt perfekte atom-for-atom gitterstruktur af overfladelaget af titandioxid nanokrystaller. Denne lidelse blev indført via hydrogenering.

Resultatet er den første uorden-konstruerede nanokrystal. En transformation var indlysende:de normalt hvide titandioxid -nanokrystaller blev sorte, et tegn på, at manipuleret lidelse gav infrarød absorption.

Forskerne formodede også, at lidelse øgede fotokatalysatorens ydeevne. For at finde ud af om deres anelse var korrekt, de nedsænkede uordenskonstruerede nanokrystaller i vand og udsatte dem for simuleret sollys. De fandt ud af, at 24 procent af sollyset absorberet af fotokatalysatoren blev omdannet til brint, en produktionshastighed, der er omkring 100 gange større end udbyttet af de fleste halvlederfotokatalysatorer.

Ud over, deres fotokatalysator viste ingen tegn på nedbrydning i løbet af en 22-dages testperiode, hvilket betyder, at den er potentielt holdbar nok til brug i virkeligheden.

Dens skelsættende effektivitet stammer stort set fra fotokatalysatorens evne til at absorbere infrarødt lys, hvilket gør den til den første titandioxid -fotokatalysator til at absorbere lys i denne bølgelængde. Det absorberer også synligt og ultraviolet lys. I modsætning, de fleste fotokatalysatorer af titandioxid absorberer kun ultraviolet lys, og de, der indeholder defekter, kan absorbere synligt lys. Ultraviolet lys tegner sig for mindre end ti procent af solenergien.

”Jo mere energi fra solen, der kan absorberes af en fotokatalysator, jo flere elektroner kan tilføres en kemisk reaktion, hvilket gør sort titandioxid til et meget attraktivt materiale, ”Siger Mao, som også er adjungeret ingeniørprofessor ved University of California i Berkeley.

Teamets spændende eksperimentelle fund blev yderligere belyst af teoretiske fysikere Peter Yu og Lei Liu, der undersøgte, hvordan forvirring af atomernes gitterværk på nanokrystalets overflade via hydrogenering ændrer dets elektroniske egenskaber. Deres beregninger afslørede den lidelse, i form af gitterdefekter og brint, gør det muligt for indkommende fotoner at excitere elektroner, som derefter springer over et hul, hvor der ikke kan eksistere elektronstater. Engang på tværs af dette hul, elektronerne er frie til at aktivere den kemiske reaktion, der deler vand i hydrogen og ilt.

”Ved at indføre en bestemt form for lidelse, mid-gap elektroniske tilstande oprettes ledsaget af et reduceret båndgab, ”Siger Yu, som også er professor ved University of California ved Berkeleys fysikafdeling. "Dette gør det muligt for den infrarøde del af solspektret at blive absorberet og bidrage til fotokatalysen."

Denne forskning blev støttet af Department of Energy's Office of Energy Efficiency and Renewable Energy. Transmissionselektronmikroskopi -billeddannelse, der blev brugt til at studere nanokrystaller i atomskala, blev udført på National Center for Electron Microscopy, en national brugerfacilitet placeret på Berkeley Lab.