Blandede nanopartikelsystemer kan hjælpe med at rense vand og generere brint

En ny katalysator kan have dramatiske miljømæssige fordele, hvis den kan leve op til sit potentiale, foreslår forskning fra Singapore. A*STAR-forskere har produceret en katalysator med guld-nanopartikel-antenner, der kan forbedre vandkvaliteten i dagslys og også generere brint som en grøn energikilde.

Denne vandrensningsteknologi er udviklet af He-Kuan Luo, Andy Hor og kolleger fra A*STAR Institute of Materials Research and Engineering (IMRE). "Enhver innovativ og godartet teknologi, der kan fjerne eller ødelægge organiske forurenende stoffer fra vand under omgivende forhold er meget velkommen, " forklarer Hor, som er administrerende direktør for IMRE og også tilknyttet National University of Singapore.

Fotokatalytiske materialer udnytter sollys til at skabe elektriske ladninger, som giver den nødvendige energi til at drive kemiske reaktioner i molekyler knyttet til katalysatorens overflade. Ud over at nedbryde skadelige molekyler i vand, fotokatalysatorer bruges til at spalte vand i dets komponenter af oxygen og brint; brint kan så bruges som en grøn energikilde.

Hor og hans team satte sig for at forbedre en eksisterende katalysator. Iltbaserede forbindelser såsom strontiumtitanat (SrTiO3) ser lovende ud, da de er robuste og stabile materialer og er velegnede til brug i vand. En af holdets nyskabelser var at øge dets katalytiske aktivitet ved at tilføje små mængder af metallet lanthan, som giver yderligere brugbare elektriske ladninger.

Katalysatorer skal også fange en tilstrækkelig mængde sollys til at katalysere kemiske reaktioner. Så for at sætte fotokatalysatoren i stand til at høste mere lys, forskerne fastgjorde guldnanopartikler til de lanthan-doterede SrTiO3-mikrosfærer (se billede). Disse guldnanopartikler er beriget med elektroner og fungerer derfor som antenner, koncentrere lys for at accelerere den katalytiske reaktion.

Den porøse struktur af mikrokuglerne resulterer i et stort overfladeareal, da det giver mere bindingsplads for organiske molekyler at docke til. Et enkelt gram af materialet har et overfladeareal på omkring 100 kvadratmeter. "Det store overfladeareal spiller en afgørende rolle for at opnå en god fotokatalytisk aktivitet, " kommenterer Luo.

For at demonstrere effektiviteten af ​​disse katalysatorer, forskerne undersøgte, hvordan de nedbrød farvestoffet rhodamin B i vand. Inden for fire timer efter eksponering for synligt lys var 92 procent af farvestoffet væk, hvilket er meget hurtigere end konventionelle katalysatorer, der mangler guldnanopartikler.

Disse mikropartikler kan også bruges til vandspaltning, siger Luo. Holdet viste, at mikropartiklerne med guldnanopartikler klarede sig bedre i vandopdelingsforsøg end dem uden, yderligere fremhæver disse mikrosfærers alsidighed og effektivitet.