• Home
  • Kemi
  • Astronomien
  • Energi
  • Naturen
  • Biologi
  • Fysik
  • Elektronik
  • Belyser vägen till optimal fotokatalys

    Kredit:Carnegie Mellon University Materials Science and Engineering

    En eftermiddag, Carnegie Mellon University Materials Science and Engineering (MSE)s Mohammad Islam gick in på kollega Paul Salvadors kontor och frågade vad det största problemet var inom fotokatalys som han skulle vilja kunna lösa. Salvadors svar:Han skulle vilja bestämma hur oxidations- och reduktionsreaktionerna i fotokatalys skulle kunna separeras i distinkta kanaler för att öka prestandan.

    En fotokatalysator, som använder energi från ljus för att påskynda en reaktion, underlättar typiskt två reaktioner:en oxidationsreaktion och en reduktionsreaktion. De används för att generera väte, vid sanering av miljöpåväxt, och potentiellt för att döda läkemedelsresistenta bakterier.

    "Vi gör öppna kolnanorör, "svarade islam, forskningsprofessor i MSE, "så vad sägs om att vi sätter fotokatalysatorn på utsidan och co-katalysatorn på insidan av varje nanorör?"

    Salvador, professor i MSE, sa att han tyckte att det var en elegant lösning – men var det möjligt?

    Således bildades ett team inklusive islam, Salvador, och MSE-professorn och institutionschefen Greg Rohrer, med Ph.D. student Hang-Ah Park, masterstudent Siyuan Liu, och tidigare postdoc Youngseok Oh (för närvarande senior vetenskapsman vid Korea Institute of Materials Science). Nyligen, teamet publicerade en artikel om sin nya metod för att optimera fotokatalysatorer. Liksom många Carnegie Mellon forskningsprojekt, projektet började med ett problem som bara kunde lösas genom samarbete.

    Utmaningen:fotokatalysatorer måste vara billiga, effektiv, och miljövänligt. Även om nuvarande fotokatalysatorer kan vara billiga, de har antingen hög toxicitet eller fungerar inte bra.

    I en fotokatalysator, både oxidationsreaktionen och reduktionsreaktionen måste optimeras, liksom mellanrummet mellan dessa reaktioner. Vanligtvis, en fotokatalysator som är bra på att utföra en typ av reaktion (som oxidation) har en samkatalysator tillsatt som är bra på att utföra den motsatta reaktionen (reduktion). Även om detta hjälper till med optimering, reaktionerna är inte helt åtskilda, och därför, produkter som väte och syre genereras i samma utrymme.

    "Föreställ dig att du har en mikrometerstor sfär som är känd för att vara bra på oxidation, och du lägger till små samkatalysatorhalvor som är kända för att vara bra på reduktion (vanligtvis 10 nanometer), " säger Rohrer. "Även om reaktionerna är tekniskt åtskilda, de förekommer fortfarande i närheten, vilket minskar fotokatalysatorns prestanda. Så, vi sätter dem i helt andra kanaler."

    Det som gör deras arbete till roman är inte den fullständiga separationen av kanalerna, vilket är välkänt i standardfotoelektrokemiska celler (PEC), men att de tog ner en PEC till nanoskalan, utvecklat massivt parallella arrayer av dessa nanoskala PEC, och bibehöll fullständig separation.

    "Det är en väldigt enkel idé, " säger Salvador. "Många av oss har gjort labbexperiment på gymnasiet eller högskolan med traditionella PEC:er, som separerar produkter i två stora bägare. Vi har tagit den enorma PEC från kemilabb och fört ner den till nanoskala, och sedan tillverkade vi tusentals av dem som verkar parallellt. I den processen, vi hittade några intressanta nya grundläggande materialbeteende, inklusive hög aktivitet i synligt ljus, och såg en fenomenal prestanda som har många tillämpningar."

    En stor tillämpning av fotokatalysatorer är att åtgärda miljöpåväxt, eller ta bort organismer som havstulpaner och alger från ytor som rör. En annan tillämpning är att döda läkemedelsresistenta bakterier. Många sjukhus, till exempel, använd färger laddade med titanoxid och bestrålade med UV-ljus för att desinficera väggar eller andra ytor. Men med den nya fotokatalytiska metoden, de kan använda synligt ljus, vilket är mycket säkrare. Till sist, under vätegenerering undertrycker deras fotokatalysatorer blandningen av produktgaser, ett viktigt framsteg.

    "Frågan är nu, varför går det mycket bättre?" säger Islam. "Varför blev det fotoaktivt i det synliga ljuset när jag gör det här med kolnanorör och titan? Vilka parametrar kan vi justera för att göra det bättre? Det är den riktningen vi går."


    © Vetenskap https://sv.scienceaq.com