En forskargrupp ledd av professor Su-Il In från institutionen för energivetenskap och teknik har lyckats utveckla fotokatalysatorer som kan omvandla koldioxid till användbar energi som metan eller etan.

När koldioxidutsläppen ökar, jordens temperatur stiger och intresset för att minska koldioxiden ökar, den främsta boven bakom den globala uppvärmningen, har också ökat. Dessutom, övergången till återanvändbart bränsle för befintliga resurser på grund av energiutarmning väcker också uppmärksamhet. För att lösa transnationella miljöproblem, forskning om fotokatalysatorer, som är avgörande för att omvandla koldioxid och vatten till kolvätebränslen, får uppmärksamhet.

Även om halvledarmaterial med stora bandgap ofta används i fotokatalysatorstudier, de är begränsade i att absorbera solenergi i olika områden. Således, fotokatalysatorstudier som fokuserar på att förbättra fotokatalysatorstrukturen och ytan för att öka solenergiabsorptionsområdena eller använda tvådimensionella material med utmärkt elektronöverföring pågår.

Professor Ins forskargrupp utvecklade en högeffektiv fotokatalysator som kan omvandla koldioxid till metan (CH ₄ ) eller etan (C ₂ H ₆ ) genom att placera grafen på reducerad titandioxid på ett stabilt och effektivt sätt.

Fotokatalysatorn som utvecklats av forskargruppen kan selektivt omvandla koldioxid från en gas till metan eller etan. Resultaten visade att dess generationsvolym är 259 umol/g och 77 umol/g metan respektive etan, och dess omvandlingshastighet är 5,2 procent och 2,7 procent högre än konventionella fotokatalysatorer med reducerad titandioxid. När det gäller etangenereringsvolym, detta resultat visar världens högsta effektivitet under liknande experimentella förhållanden.

Dessutom, forskargruppen bevisade för första gången att porerna rör sig mot grafen på grund av bandböjningsfenomen som är synliga från titandioxid- och grafengränssnitt genom den internationella gemensamma forskningen som utförs med forskargruppen ledd av James R. Durrant vid Department of Chemistry of Imperial College London (ICL), Storbritannien med hjälp av fotoelektronspektroskopi.

Porens rörelse mot grafen aktiverar reaktioner genom att få elektroner att samlas på ytan av den reducerade titandioxiden och bildar en stor mängd radikal metan (CH ₃ ) när polyelektroner deltar i reaktionerna. Forskargruppen identifierade en mekanism för att producera metan om denna bildade radikalmetan reagerar med vätejoner och för att producera etan om den radikala metanen reagerar med varandra.

Katalysatormaterialet som utvecklats av forskargruppen förväntas tillämpas på en mängd olika områden såsom materialproduktion med högt mervärde i framtiden och användas för att lösa problem med global uppvärmning och problem med energiresurser genom att selektivt producera högre nivåer av kolväten material som använder solljus.

Professor In sa, "Den reducerade titandioxidfotokatalysatorn med grafen som har utvecklats denna gång har fördelen att selektivt kunna producera CO ₂ som ett användbart kemiskt element såsom metan eller etan. Genom att göra uppföljande forskning som ökar konverteringsgraden så att den kan kommersialiseras, vi ska bidra till utvecklingen av teknik för att minska koldioxiden och förvandla den till en resurs."

Detta forskningsresultat publicerades torsdagen den 19 juli, 2018 i nätupplagan av Energi- och miljövetenskap , en internationell tidskrift om energivetenskap.