Forbedring af hydrogenperoxidproduktion gennem bæredygtig fotokatalyse

Hydrogenperoxid bruges i mange industrier til en række forskellige formål, herunder blegning, spildevandsbehandling, sterilisering og endda som raketbrændstof. Fordi hydrogenperoxids biprodukt er vand, er det blevet rost som et "grønt", miljøvenligt kemikalie, men et nærmere kig på hydrogenperoxids produktionsproces afslører en mere kompliceret historie. Problemer som mængden af ​​energi brugt til produktionsprocessen og minedrift for de nødvendige kemikalier har dramatiske miljøpåvirkninger. Efterhånden som efterspørgslen efter brintoverilte stiger globalt, forsøger forskere at finde nye måder at producere brintoverilte på, der er sikrere og bedre for miljøet.

Tidligere forskning har identificeret teknikker ved hjælp af fotokatalyse, brugen af ​​lys til at starte en kemisk reaktion og varme elektroner, som er højenergielektroner, der er blevet opladet gennem synligt og infrarødt lys, som alternative løsninger til produktion af brintperoxid. Både fotokatalyse og varme elektroner er tidligere blevet brugt i grønne energialternativer, såsom solenergi, men begrænsninger på begge processer har forhindret dem i at blive implementeret til produktion af hydrogenperoxid.

For at imødegå nogle af disse begrænsninger fandt forskere ved Shanghai Jiao Tong University måder at få de varme elektroner til at holde længere, så fotokatalyse kan bruges til at producere hydrogenperoxid i en sikrere, renere produktionsproces.

Resultaterne blev offentliggjort den 25. juni i Nano Research .

Papirforfatter Xinhao Li, professor ved School of Chemistry and Chemical Engineering ved Shanghai Jiao Tong University, forklarede nogle af begrænsningerne ved at bruge varme elektroner i produktionen af ​​hydrogenperoxid. "Livtiden for varme elektroner, typisk på en tidsskala på 0,4 til 0,3 picosekunder, kunne ikke matches godt med tidsskalaen for typiske kemiske reaktioner, herunder iltreduktionsreaktionen til hydrogenperoxid. På grund af dette er det tiltalende at udvikle kraftfulde metoder til at forlænge levetiden af ​​termaliserede varmebærere i forhold til billige fotokatalysatorer til produktion af brintoverilte ved kun at bruge vand, luft og sollys," sagde Li.

Metoden til at vedligeholde energien i de varme elektroner foreslået af forskere er ligetil. En heterojunction - en kombination af to forskellige lag af halvledere - af rutil titaniumdioxid og grafen er lavet for at høste de varme elektroner. De første forskere undersøgte måder at syntetisk producere rutil titaniumdioxid hurtigt og effektivt. Det tager 24 timer for faseoverførselsprocessen ved formalingsmetode at omdanne anatase titandioxid til rutil titandioxid, men forskerne var i stand til at reducere dette til 5 minutter.

Kombinationen af ​​rutil titaniumdioxid og grafen danner en forhøjet Schottky-barriere, som er afgørende for at forlænge levetiden for varme elektroner. En Schottky-barriere dannes mellem et metal og en halvleder og fungerer som en barriere for elektroner. Fordi Schottky-barrieren mellem rutil titaniumdioxid og grafen er høj, letter den den varme elektroninjektion og forhindrer elektronerne i at strømme baglæns gennem barrieren. Den forhøjede barriere opnås på grund af den hurtige faseoverførsel mellem anatase titandioxid og rutil titanium dioxid. Den hurtige faseoverførsel og forhøjede barriere giver mulighed for en lang fluorescenslevetid og bedre effektivitet, hvilket øger produktionen af ​​brintoverilte ved hjælp af synligt og nær infrarødt lys. Forskere har mistanke om, at grafen/rutil titandioxid kan genbruges i mindst seks cyklusser af standardreaktioner, hvilket gør det endnu mere effektivt til at producere hydrogenperoxid.

Hvad angår det næste, ser forskere frem til, hvordan man kan forenkle processen. "I det opfølgende arbejde håber vi at udvikle enklere strategier til at optimere fotokatalysens heterostruktur for yderligere at forbedre udnyttelsen af ​​fotogenererede varme elektroner. Dette fotokatalytiske system drevet af fotogenererede varme elektroner på billige ædelmetalfrie heterojunctions viser et betydeligt potentiale som et nyt kunstigt fotosyntesesystem," sagde Li. + Udforsk yderligere

Hvordan guldnanopartikler kunne forbedre lagring af solenergi