Nylige fremskridt inden for indbygget elektrisk felt-assisteret fotokatalytisk tørreformering af metan

Metan (CH₄ ) og kuldioxid (CO₂ ) er de to vigtigste drivhusgasser, der forårsager global opvarmning. Tørreformering af metan (DRM) teknologi kan samtidig udnytte to drivhusgasser til at producere brint (H₂ ) og kulilte (CO), hvilket betyder, at DRM er en af ​​de ideelle strategier til at reducere drivhuseffekten.

Dog CH₄ og CO₂ har høj termodynamisk stabilitet, så den konventionelle termiske DRM-proces kræver altid høj termisk energi for at aktivere CH₄ og CO₂ . Udviklingen af ​​fotokatalytisk teknologi giver flere muligheder for at igangsætte DRM-reaktioner under milde forhold.

På grund af den hurtige rekombination af fotoexciterede ladningsbærere er den fotokatalytiske effektivitet stadig utilfredsstillende. Det er blevet rapporteret, at konstruktionen af ​​indbyggede elektriske felter i fotokatalysatorer er en pålidelig strategi til at forbedre ladningsoverførselsdynamikken. Derfor forventes design af fotokatalysatorer med interne elektriske felter til at kontrollere ladningsoverførselsadfærden at håndtere ovenstående udfordring.

For nylig rapporterede forskerholdene ledet af prof. Huimin Liu fra Liaoning University of Technology, Kina og Dr. Jordi García-Antón fra Universitat Autònoma de Barcelona (UAB) en oversigtsartikel, der introducerede de seneste fremskridt inden for indbygget elektrisk felt -assisteret fotokatalytisk tørreformering af metan. Denne anmeldelse blev offentliggjort i Chinese Journal of Catalysis .

Denne artikel introducerer først den grundlæggende reaktionsmekanisme for DRM og traditionelle termiske katalysatorer til DRM. Efterfølgende blev fordelene og potentielle fotokatalytiske materialer til fotokatalytisk DRM (PDRM) applikation opsummeret med fokus på tre typer fotokatalysatorer med indbyggede elektriske felter:

(1) Ferroelektriske materialebaserede fotokatalysatorer, som genererer indbyggede elektriske felter ved permanent spontan polarisering fra ferroelektriske effekter.

(2) Fotokatalysatorer med heterojunction-strukturer, som udløser et internt elektrisk felt ved heterogrænsefladen. På grund af den forskudte spaltestruktur i type-II heterojunctions dannes et internt elektrisk felt ved grænsefladen, hvilket resulterer i de adskilte oxidations- og reduktionsprocesser over forskellige halvlederoverflader. Derudover kan Z-skemaets heterojunction opretholde ladningsbærere med høj redox gennem et grænseflade elektrisk felt for at rekombinere ladninger med lav redoxevne. Således kunne PDRM-effektiviteten forbedres af forskellige heterojunction-strukturer.

(3) Fotokatalysatorer med indbyggede termoelektriske felter genereret af lokal overfladeplasmonresonans (LSPR). Metalnanopartikler er egnede kandidater til at accelerere ladningsoverførsel og aktivere reaktanter gennem resonans, hvilket fører til diskontinuerlige elektroniske strukturer i metaller, der skaber lokale elektriske felter mellem metalnanopartiklerne og synligt-nær-infrarødt (Vis-NIR) lys.

Adskillige undersøgelser har vist, at aktiviteten og selektiviteten af ​​et specifikt produkt øges af plasmonassisteret fotokatalyse, hvilket fremhæver LSPR's store potentiale til at forbedre fotokatalytisk (eller fototermisk-katalytisk) effektivitet. Ud over ovenstående fotokatalysatorer fører udviklingen af ​​PDRM-teknologi til flere krav til forståelse af reaktionsmekanismen eller belysning af specifikke komponenters rolle i fotokatalysatorer.

Derfor introducerer denne gennemgang også avanceret in-situ karakteriseringsteknologi og teoretiske beregninger, der giver grundlæggende viden til unge forskere, der er engageret i dette felt på de tidlige stadier.

Selvom der er gjort mange indsatser på PDRM-området, er der stadig nogle udfordringer, der skal overvindes. Baseret på eksisterende forskningsresultater opsummerer denne gennemgang endelig de vigtigste udfordringer og foreslår gennemførlige strategier, hvilket tilskynder til mere dybdegående undersøgelser på dette område i fremtiden.

Flere oplysninger: Yiming Lei et al., Nylige fremskridt inden for den indbyggede elektriske felt-assisteret fotokatalytisk tørreformering af metan, Chinese Journal of Catalysis (2023). DOI:10.1016/S1872-2067(23)64520-6

Leveret af Chinese Academy of Sciences