Brug af synligt lys til effektivt at nedbryde kuldioxid

Kuldioxid (CO ₂ ) emissioner fra menneskelige aktiviteter er steget drastisk i løbet af det sidste halvandet århundrede og ses som den primære årsag til global opvarmning og unormale vejrmønstre. Så, der har været betydeligt forskningsfokus, på en række områder, på at sænke vores CO ₂ emissioner og dens atmosfæriske niveau. En lovende strategi er at nedbryde kemisk, eller 'reducere, 'CO ₂ ved hjælp af fotokatalysatorer - forbindelser, der absorberer lysenergi og giver det til reaktioner, fremskynder dem. Med denne strategi, den soldrevne reduktion af CO ₂ , hvor der ikke anvendes andre kunstige energikilder, bliver muligt, åbne døre til en bæredygtig vej til en bæredygtig fremtid.

Et team af videnskabsmænd ledet af Dr. Shinji Kawasaki og Yosuke Ishii fra Nagoya Institute of Technology, Japan, har været på forkant med bestræbelserne på at opnå effektiv solenergi-assisteret CO ₂ reduktion. Deres seneste gennembrud er offentliggjort i Nature's Videnskabelige rapporter .

Deres forskning begyndte med behovet for at løse det begrænsede anvendelighedsproblem med sølviodat (AgIO ₃ ), en fotokatalysator, der har tiltrukket sig betydelig opmærksomhed for at være nyttig for CO ₂ reduktionsreaktion. Problemet er, at AgIO ₃ har brug for meget højere energi end det synlige lys kan give for at fungere som en effektiv fotokatalysator; og synligt lys er størstedelen af ​​solstrålingen.

Forskere har forsøgt at omgå dette effektivitetsproblem ved at kombinere AgIO ₃ med sølviodid (AgI), som effektivt kan absorbere og udnytte synligt lys. Imidlertid, AgIO ₃ -AgI-kompositter har komplicerede synteseprocesser, gør deres produktion i stor skala upraktisk. Yderligere, de har ikke strukturer, der tilbyder effektive veje til overførsel af fotoexciterede elektroner (elektroner, der aktiveres af lysabsorption) fra AgI til AgIO ₃ , hvilket er nøglen til komposittens katalytiske aktivitet.

"Vi har nu udviklet en ny fotokatalysator, der inkorporerer enkeltvæggede kulstof nanorør (SWCNT'er) med AgIO ₃ og AgI for at danne en tre-komponent sammensat katalysator, "siger Dr. Kawasaki, "SWCNT'ernes rolle er multimodal. Det løser både syntese- og elektronoverførselsvejproblemerne."

Den tre-komponent komposit synteseproces er enkel og involverer kun to trin:1. Indkapsling af jod molekyler i SWCNT ved hjælp af en elektrokemisk oxidationsmetode; og 2. Fremstilling af kompositten ved at nedsænke resultatet fra det foregående trin i en vandig opløsning af sølvnitrat (AgNO) ₃ ).

Spektroskopiske observationer ved hjælp af kompositmaterialet viste, at under synteseprocessen, de indkapslede jodmolekyler modtog ladning fra SWCNT og omdannet til specifikke ioner. Disse reagerede derefter med AgNO ₃ at danne AgI og AgIO ₃ mikrokrystaller, hvilken, på grund af de indledende positioner af de indkapslede jodmolekyler, blev deponeret på alle SWCNT'erne ensartet. Eksperimentel analyse med simuleret sollys afslørede, at SWCNT'erne også fungerede som den ledende vej, gennem hvilken fotoexciterede elektroner bevægede sig fra AgI til AgIO ₃ , muliggør effektiv reduktion af CO ₂ til kulilte (CO).

Inkorporeringen af ​​SWCNT'er gjorde det også muligt for kompositdispersionen let at sprøjtebelægges på en tynd filmpolymer for at give fleksible fotokatalytiske elektroder, der er alsidige og kan bruges i forskellige applikationer.

Dr. Ishii er håbefuld om deres fotokatalysators potentiale. "Det kan gøre solreduktionen af ​​industriel CO ₂ emissioner og atmosfærisk CO ₂ en letskala og bæredygtig vedvarende energibaseret løsning, der håndterer global opvarmning og klimaændringer, at gøre folks liv sikrere og sundere, " han siger.

Det næste skridt, holdet siger, er at udforske muligheden for at bruge deres fotokatalysator til solbrintgenerering.