Gode ​​katte bærer sort:Sorte nanopartikler kan spille en nøglerolle i fotokatalyse af ren energi

(Phys.org) – En unik atomare ingeniørteknik til at omdanne laveffektive fotokatalytiske "hvide" nanopartikler af titaniumdioxid til højeffektive "sorte" nanopartikler kunne være nøglen til rene energiteknologier baseret på brint.

Samuel Mao, en videnskabsmand, der har fælles aftaler med Berkeley Labs Environmental Energy Technologies Division og University of California i Berkeley, leder udviklingen af ​​en teknik til ingeniørforstyrrelse i den nanokrystallinske struktur af halvlederen titaniumdioxid. Dette gør de naturligt hvide krystaller sorte i farven, et tegn på, at krystallerne nu er i stand til at absorbere infrarødt såvel som synligt og ultraviolet lys. Det udvidede absorptionsspektrum forbedrer væsentligt effektiviteten, hvormed sort titaniumdioxid kan bruge sollys til at spalte vandmolekyler til produktion af brint.

"Vi har demonstreret, at sorte titaniumdioxid-nanopartikler er i stand til at generere brint gennem soldrevne fotokatalytiske reaktioner med en rekordhøj effektivitet, " sagde Mao i en tale på American Chemical Society (ACS)'s landsmøde i New Orleans.

"Syntesen af ​​sorte titaniumdioxid nanopartikler var baseret på en hydrogeneringsproces, hvor hvide titaniumdioxid nanokrystaller blev udsat for højtryksbrintgas, " sagde Mao. "Den unikke uordnede struktur skaber en fotokatalysator, der er både holdbar og effektiv, og giver titaniumdioxid, et af de mest undersøgte af alle oxidmaterialer, et fornyet potentiale."

Løftet om brint i batterier eller brændstoffer er en ren og vedvarende energikilde, der ikke forværrer de globale klimaændringer. Udfordringen er omkostningseffektivt at masseproducere det. På trods af at det er det mest udbredte element i universet, ren brint er knap på jorden, fordi brint kombineres med næsten enhver anden type atom. Brug af solenergi til at opdele vandmolekylet i brint og oxygen er den ideelle måde at producere rent brint på. Det her, imidlertid, kræver en effektiv fotokatalysator, som vand ikke korroderer. Titaniumdioxid kan stå op til vand, men indtil Mao og hans gruppes arbejde var kun i stand til at absorbere ultraviolet lys, som står for knap ti procent af energien i sollys.

I sin ACS-tale, med titlen "Disorder Engineering:Turning Titanium Dioxide Nanoparticles Black, " Mao beskrev, hvordan han udviklede konceptet "disorder engineering, " og hvordan introduktionen af ​​hydrogenerede lidelser skaber energitilstande mellem båndgab over valensbåndets maksimum for at øge hydrogenmobiliteten. Hans undersøgelser har ikke kun givet en lovende ny fotokatalysator til generering af brint, men har også været med til at fjerne nogle udbredte videnskabelige overbevisninger.

"Vores test har vist, at en god halvlederfotokatalysator ikke behøver at være en enkelt krystal med minimale defekter og energiniveauer lige under bunden af ​​ledningsbåndet, " sagde Mao.

Karakteriseringsstudier ved Berkeley Labs Advanced Light Source hjalp også med at besvare spørgsmålet om, hvor meget af det detekterede brint i deres eksperimenter, der kommer fra den fotokatalytiske reaktion, og hvor meget der kommer fra brint absorberet i titaniumoxidet under hydrogeneringssynteseprocessen.

"Vores målinger viser, at kun en meget lille mængde brint absorberes i sort titaniumdioxid, omkring 0,05 milligram, sammenlignet med de 40 milligram brint detekteret under et 100 timers soldrevet brintproduktionseksperiment, " sagde Mao.