Fødevaregodkendte indkapslede fotokatalysatormaterialer til generering af ren, grøn brint

Den pulveriserede nanopartikelfotokatalysator indeholder halvledere, der kan udvaskes i vandområder og skade den økologiske pyramide. Metalorganiske rammer er blevet foreslået til at understøtte legeringens nanopartikler for at forhindre metalaggregering under reaktionen og for at øge den katalytiske aktivitet.

Holdet under Prof. Kajari Kargupta fra laboratoriet for nanoteknik og bæredygtig energi, Chemical Engineering Department, Jadavpur University, Indien, har nu udviklet en miljøvenlig, genanvendelig 3D organisk alginathydrogel indkapslet i en perletype fotokatalysator. Undersøgelsen er offentliggjort i International Journal of Hydrogen Energy .

Disse typer af 3D metal-organiske ramme-baserede hydrogel fotokatalysatorer kan give en konstant hastighed af kontinuerlig brint. Den toksiske effekt af halvlederen minimeres gennem indkapsling med det fødevaregodkendte materiale natriumalginat.

Natriumalginat er den foretrukne biopolymer til de fotokatalysatorindkapslede millisfærer. Det er kommercielt fremstillet af brunt tangekstrakt. Over tid har adskillige forskningsgrupper dannet forskellige metal-polymer-kompositter på grund af immobiliseringen af ​​metalionerne under geleringsprocessen.

Et trykdrevet gennemstrømningssystem, der fungerer i både batch- og kontinuerlig tilstand under fuldbånds-solbestråling, blev undersøgt for forbedret solbrintproduktion fra vand ved hjælp af en ny 3D-millisfære af organiske alginater, hydrogel-indkapslet fotokatalysator med høj vandretentionsevne. Det primære fokus blev projekteret på, hvilken rolle forbedringen af ​​adsorptionen af ​​vandmolekylet på de aktive steder i fotokatalysatoren spiller på ydeevnen af ​​solbrintproduktion.

Fra et funktionelt perspektiv øger tilsætningen af ​​natriumalginat fotokatalysatorens aktivitet og vandretentionskapacitet, hvilket muliggør processen med kontinuerlig brintgenerering. Fra et operationelt perspektiv øger alginats tilstedeværelse fotokatalysatorens aktivitet og vandretentionskapacitet, hvilket muliggør processen med konstant at generere brint.

Enhver sfærisk perleformet alginat-indkapslet fotokatalysator fungerer som en miniature brintproducent eller fotokatalytisk reaktor. Alginathydrogelerne viste også fremragende genanvendelighed og genbrug. Deres syntetiske repeterbarhed og lineære skalerbarhed bekræftes af det faktum, at den samlede mængde genereret brint stiger lineært med antallet af fotokatalysatorindkapslede perler, mens den volumennormaliserede hastighed forbliver konstant.

Graden af ​​hydrering - både præ- og dynamisk vandadsorption - har stor indflydelse på hastigheden, hvormed brint produceres. En flowreaktor bruges til at producere brint med en konstant hastighed; når den indgående strømningshastighed falder under en kritisk værdi, forbliver produktionshastigheden konstant, hvilket indikerer, at hver sfærisk katalysator fungerer som en lille brintgenerator.

Prof. Kargupta har erfaring med at transformere prototyper i laboratorieskala til praktiske kommercielle applikationer, og vores tværfaglige team indeholder ekspertise inden for solbrintgenerering, fremstilling af brændselscelleelektrolytmembraner/elektroder og kulstofbinding. Holdet forsøger at opskalere kapaciteten af ​​den genererede brint til at drive de bærbare brændselsceller i fjerntliggende områder.

Det vigtigste kemikalie, der anvendes til indkapslingen af ​​fotokatalysatoren, er natriumalginat, som betragtes som et fødevaregodkendt materiale (emulgator, stabilisator, fortykningsmiddel og geleringsmiddel) af U.S. Food and Drug Administration og Europa-Kommissionen. Den alginat hydrogel-baserede fotokatalysator med en passende fotoreaktor vil blive samlet med høj lagring og brændselsceller i de næste to år. Vi planlægger at samarbejde med industripartnere for at opskalere denne højtydende fotokatalysator i industriel skala.

Denne historie er en del af Science X Dialog, hvor forskere kan rapportere resultater fra deres publicerede forskningsartikler. Besøg denne side for at få oplysninger om ScienceX Dialog og hvordan du deltager.

Flere oplysninger: Sayantanu Mandal et al., Organisk alginatindkapslede rGO-CdS-millisfærer til bemærkelsesværdig fotokatalytisk solenergiproduktion, International Journal of Hydrogen Energy (2023). DOI:10.1016/j.ijhydene.2023.09.137

Prof. Kajari Kargupta, Chemical Engineering Department, Jadavpur University modtog sin ph.d. om "Ustabilitet og mønsterdannelse i tynde film:rolle af heterogenitet, fordampning og glidning" i 1998 fra I.I.T. Kanpur. Hun har ekspertise inden for tyndfilmssystemer, mønstergenerering, dannelse af nanostrukturer af forskellige morfologier og deres anvendelse. Hun har med succes gennemført adskillige projekter sponsoreret af SERB DST, UGC, DBT og DRDO og har mere end 100 peer-reviewede tidsskriftspublikationer til gode. Hun har erfaring med formulering af grafen-baserede bimetalliske nano-hybrid materialer af forskellige morfologier og deres anvendelse som katalysatorer, elektrokatalysator til brintgenerering. Som en del af et tidligere DST-sponsoreret projekt udforskede hun syntesen og karakteriseringen af ​​grafenbaserede bimetalliske nano-hybridkatalysatorer til hydrogengenerering fra natriumborhydrid og borhydridelektrooxidation; baseret på kortlægning af sammensætning-morfologi-ydeevne en ny rGO-baseret-forbundet kerneskal G-Co-Pt nano-hybrid-katalysatorer, der udviser fremragende elektrontransportegenskaber, er blevet undersøgt for brintgenerering såvel som en ORR-katalysator for at reducere Pt-belastningen. Dr. Kargupta har erfaring med syntese og karakterisering af elektrokatalysatorer til elektrooxidation, oxygenreduktionsreaktion og brændselscelleanvendelse. Hun har udforsket fotokatalytisk og fotoelektrokatalytisk solbrintgenerering gennem vandspaltning; hvis mål er at løse de store procesflaskehalse og forbedre sol- til brinteffektiviteten. Baseret på eksperimentel såvel som kvantesimulering bliver rollen af ​​nano-hybrid katalysatorer/fotokatalysatorer og fotoelektrokatalysatorer analyseret og udforsket. Tidligere som en del af UGC's større projekt undersøgte Prof. Kargupta forskellige uorganiske-organiske nanokompositmembranelektrolytter såvel som bærbare, holdbare og protonledende elektrolytter af geltypen, især til bærbar anvendelse af brændselsceller. Prof. Kargupta har erfaring med at håndtere 10 sponsorerede projekter som PI og Co-PI. Hun har også arbejdet med NMRL, DRDO på et missionsprojekt relateret til brændselscelleanvendelse som forskningstjenesteudbyder.

Sayantanu Mandal er i øjeblikket ved at færdiggøre sin ph.d. i afdelingen for kemiteknik, Jadavpur University, under vejledning af prof. Kajari Kargupta. I de sidste tre år har han været engageret i arbejdet med brintgenerering og fremstilling af en højtemperaturbrændselscelleelektrolytisk membran. I øjeblikket er han også en PI af et projekt under Indian Science Technology Engineering faciliteter kort under Govt of India (I-STEM) med sin guide Prof Kajari Kargupta (I-STEM/Catalyticgrant/acad_24/2022-23). Han er også fast medlem af nogle af de prestigefyldte videnskabelige globale organisationer såsom International Association of Engineers (IAENG) og International Academy of Science and Engineering for Development (IASED), Hongkong. Han er også i den tekniske komité for den tekniske komité for MEAMT 2023, NanoMT 2023 og ICFMCE 2023 som peer-reviewer.

Journaloplysninger: International Journal of Hydrogen Energy