Belyser vejen til optimal fotokatalyse

En eftermiddag, Carnegie Mellon University Materials Science and Engineering (MSE)'s Mohammad Islam gik ind på kollega Paul Salvadors kontor og spurgte, hvad det største problem var i fotokatalyse, som han gerne ville være i stand til at løse. Salvadors svar:Han vil gerne bestemme, hvordan oxidations- og reduktionsreaktionerne i fotokatalyse kan adskilles i adskilte kanaler for at øge ydeevnen.

En fotokatalysator, som bruger energi fra lys til at accelerere en reaktion, letter typisk to reaktioner:en oxidationsreaktion og en reduktionsreaktion. De bruges til at generere brint, i afhjælpning af miljømæssig biobegroning, og potentielt til at dræbe lægemiddelresistente bakterier.

"Vi laver åbne kulstof nanorør, " svarede islam, forskningsprofessor i MSE, "så hvad med at sætte fotokatalysatoren på ydersiden og co-katalysatoren på indersiden af ​​hvert nanorør?"

Salvador, professor i MSE, sagde, at han syntes, det var en elegant løsning - men var det muligt?

Således blev der dannet et hold inklusive islam, Salvador, og MSE -professor og afdelingsleder Greg Rohrer, med ph.d. studerende Hang-Ah Park, masterstuderende Siyuan Liu, og tidligere postdoc Youngseok Oh (i øjeblikket seniorforsker ved Korea Institute of Materials Science). For nylig, holdet udgav et papir om deres nye tilgang til optimering af fotokatalysatorer. Ligesom mange Carnegie Mellon forskningsprojekter, projektet startede med et problem, der kun kunne løses gennem samarbejde.

Udfordringen:fotokatalysatorer skal være billige, effektiv, og miljøvenlig. Selvom nuværende fotokatalysatorer kan være billige, de har enten høj toksicitet eller fungerer ikke godt.

I en fotokatalysator, både oxidationsreaktionen og reduktionsreaktionen skal optimeres, ligesom mellemrummet mellem disse reaktioner. Typisk, en fotokatalysator, der er god til at udføre én type reaktion (såsom oxidation), har en co-katalysator tilsat, som er god til at udføre den modsatte reaktion (reduktion). Selvom dette hjælper med optimering, reaktionerne er ikke helt adskilte, og derfor, produkter som brint og oxygen dannes i samme rum.

"Forestil dig, at du har en kugle på størrelse med en mikrometer, der vides at være god til oxidation, og du tilføjer små co-katalysator halvkugler, der vides at være gode til at reducere (typisk 10 nanometer), " siger Rohrer. "Selvom reaktionerne er teknisk adskilte, de forekommer stadig i umiddelbar nærhed, hvilket reducerer fotokatalysatorens ydeevne. Så, vi sætter dem i helt andre kanaler."

Det, der gør deres arbejde til roman, er ikke den fuldstændige adskillelse af kanalerne, som er velkendt i standard fotoelektrokemiske celler (PEC'er), men at de bragte en PEC ned til nanoskalaen, udviklede massivt parallelle arrays af disse nanoskala PEC'er, og opretholdt fuldstændig adskillelse.

"Det er en meget simpel idé, " siger Salvador. "Mange af os har lavet laboratorieeksperimenter i gymnasiet eller på college ved hjælp af traditionelle PEC'er, som adskiller produkter i to store bægerglas. Vi har taget den enorme PEC fra kemi lab og bragt den ned til nanoskalaen, og så fabrikerede vi tusindvis af dem, der opererer parallelt. I den proces, vi fandt nogle interessante nye grundlæggende materialers adfærd, inklusive høj aktivitet i synligt lys, og så en fænomenal præstation, der har mange applikationer. "

En stor anvendelse af fotokatalysatorer er til afhjælpning af miljømæssig biobegroning, eller fjernelse af organismer som spiser og alger fra overflader som rør. En anden anvendelse er at dræbe lægemiddelresistente bakterier. Mange hospitaler, for eksempel, brug maling fyldt med titaniumoxid og bestrålet med UV-lys til at desinficere vægge eller andre overflader. Men med den nye fotokatalytiske metode, de kan bruge synligt lys, hvilket er meget mere sikkert. Endelig, under brintgenerering undertrykker deres fotokatalysatorer blandingen af ​​produktgasser, et vigtigt fremskridt.

"Spørgsmålet er nu, hvorfor går det meget bedre? "siger islam." Hvorfor blev det fotoaktivt i det synlige lys, når jeg gør dette med carbon nanorør og titanium? Hvad er de parametre, vi kan justere for at gøre det bedre? Det er den retning, vi går."