Biopolymerovertrukket nanokatalysator kan hjælpe med at realisere en brintbrændstofdrevet fremtid

For at bekæmpe klimaændringer, skift fra fossile brændstoffer til rene og bæredygtige energikilder er bydende nødvendigt. En populær kandidat i denne henseende er brint, et miljøvenligt brændstof, der kun producerer vand, når det bruges. Imidlertid, de effektive metoder til brintproduktion er normalt ikke miljøvenlige. Det miljøvenlige alternativ at splitte vand med sollys for at producere brint er ineffektivt og lider af lav stabilitet af fotokatalysatoren (materiale, der letter kemiske reaktioner ved at absorbere lys). Hvordan løser man spørgsmålet om at udvikle en stabil og effektiv fotokatalysator?

I en undersøgelse, der for nylig blev offentliggjort i Anvendt katalyse B:Miljø , en international gruppe af forskere, ledet af adjunkt Yeonho Kim fra Incheon National University i Korea, behandlet dette spørgsmål og rapporterede om ydeevnen af ​​polydopamin (PDA) -coated zinksulfid (ZnS) nanoroder som fotokatalysator, hvilket viste en stigning i brintproduktionen med 220% i forhold til ZnS -katalysator alene! I øvrigt, det viste anstændig stabilitet, bevarer næsten 79% af sin aktivitet efter bestråling i 24 timer. Dr. Kim skitserer motivationen bag deres forskning, "ZnS har forskellige fotokemiske applikationer, fordi det hurtigt kan generere elektriske ladningsbærere under sollys. sollys forårsager også oxidation af sulfidioner, hvilket fører til fotokorrosion af ZnS. For nylig, undersøgelser viste, at PDA-belægninger med kontrolleret tykkelse på en fotokatalysator kan forbedre konverteringseffektiviteten for solenergi og øge fotostabiliteten. Men, indtil nu, ingen undersøgelse har behandlet de fysisk-kemiske ændringer ved grænsefladen mellem ZnS/PDA. Derfor, vi ønskede at undersøge effekten af ​​PDA -binding på den fotokatalytiske ydeevne af ZnS. "

Forskerne fremstillede de PDA-belagte ZnS-nanokatalysatorer gennem polymerisering for at belægge dopamin på ZnS-nanoroder, og varierede polymeriseringsperioden for at skabe prøver af tre forskellige PDA -tykkelser - 1,2 nm (ZnS/PDA1), 2,1 nm (ZnS/PDA2), og 3,5 nm (ZnS/PDA3). De målte derefter den fotokatalytiske ydeevne af disse prøver ved at overvåge deres brintproduktion under simuleret sollysbelysning.

ZnS/PDA1 -katalysatoren viste den højeste brintproduktionshastighed efterfulgt af ZnS/PDA2, ubestrøget ZnS, og ZnS/PDA3. Teamet tilskrev den dårligere ydelse af ZnS/PDA2 og ZnS/PDA3 til mere lysabsorbering af de tykkere PDA -belægninger, hvilket reducerede lyset, der nåede ZnS og forhindrede de ophidsede ladningsbærere i at nå overfladen; ubestrøget ZnS, modsat, gennemgået fotokorrosion.

For at forstå den elektroniske strukturs rolle i den observerede forbedring, forskerne målte emissions- og udryddelsesspektre for prøverne sammen med tæthedsfunktionelle teoriberegninger. Førstnævnte afslørede, at den forbedrede absorption skyldtes, at Zn-O eller O-Zn-S-skaller dannede sig på ZnS og oprettelsen af ​​energiniveauer nær valensbåndet (højeste atomniveau fyldt med elektroner), der kan acceptere "huller" (fravær af elektroner), mens beregningerne viste, at ZnS/PDA har en unik "dobbelt forskudt" elektronisk struktur, der letter transport og adskillelse af ladningsbærere på overfladen. Den forbedrede holdbarhed skyldtes nedsat oxidationskapacitet af huller i PDA's valenstilstande.

Dr. Kim og hans team håber på bredere anvendelser af deres teknik. "Polydopaminbelægningen, der anvendes i vores arbejde, kan også anvendes på andre grupper af selenid, boride, og telluridbaserede katalysatorer, "kommenterer Dr. Kim.

Fremtiden kan virkelig være brint.