Figur 1. Föreslaget energidiagram som representerar elektronöverföringsmekanismen i TiO 2 /WO 3 -Ag hybrid nanopartiklar. Detta så kallade Z-schema visar flödet av laddade partiklar (elektroner, e- och hål, , h+) genom nanopartiklarnas olika komponenter. Blå TiO 2 och WO 3 s e- kan uppta lägre (valensband, VB) och högre (ledande band, CB) energinivåer. Fotoner från solljus (åska) ger energin för e- att hoppa upp från VB till CB (svarta pilar pekar uppåt), lämnar h+ bakom sig. TiO 2 s nedre band är nära, bara lite lägre än WO3:s högre bandnivå, så e- från det höga bandet av WO3 kan migrera till VB för blå TiO 2 att fånga dess hål. Efter separation, det upphetsade e-hoppet från TiOs CB 2 på silvernanopartiklar som möjliggör omvandling av CO 2 till CO, medan det fotogenererade h+ i WO 3 plats oxidera vatten (H 2 O) för att bilda syre (O 2 ). Kredit:Institutet för grundvetenskap
Skörda solljus, forskare vid Center for Integrated Nanostructure Physics, inom Institutet för grundvetenskap (IBS, Sydkorea) publicerad i Material idag ("Fasselektiva högeffektiva nanostrukturerade metalldekorerade hybridhalvledare för solomvandling av CO 2 till absolut CO-selektivitet") en ny strategi för att omvandla koldioxid (CO 2 ) till syre (O 2 ) och ren kolmonoxid (CO) utan biprodukter i vatten. Denna artificiella fotosyntesmetod kan ge nya lösningar på miljöföroreningar och global uppvärmning.
Medan, i gröna växter, fotosyntes fixar CO 2 till sockerarter, den artificiella fotosyntesen som rapporteras i denna studie kan omvandla CO 2 till syre och ren CO som utmatning. Den senare kan sedan användas för ett brett spektrum av applikationer inom elektronik, halvledare, farmaceutisk, och kemisk industri.
Nyckeln är att hitta rätt högpresterande fotokatalysator för att hjälpa fotosyntesen att äga rum genom att absorbera ljus, omvandla CO 2 , och säkerställa ett effektivt flöde av elektroner, vilket är väsentligt för hela systemet.
Titanoxid (TiO 2 ) är en välkänd fotokatalysator. Det har redan väckt stor uppmärksamhet inom områdena solenergiomvandling och miljöskydd på grund av dess höga reaktivitet, låg toxicitet, kemisk stabilitet, och låg kostnad.
Medan konventionell TiO 2 kan endast absorbera UV-ljus, IBS forskarteam rapporterade tidigare två olika typer av blåfärgad TiO 2 (eller "blå titanium") nanopartiklar som kunde absorbera synligt ljus tack vare ett minskat bandgap på cirka 2,7 eV.
De var gjorda av beordrat anatas/störning av rutil (Ao/Rd) TiO 2 (kallad, HYL:s blå TiO 2 -I) ("Ett ordnings-/störnings-/vattenövergångssystem för högeffektiv samkatalysatorfri fotokatalytisk vätegenerering"), och störd anatas/ordnad rutil (Ao/Rd) TiO 2 (kallad, HYL:s blå TiO 2 -II) ("Synligt-ljusdriven, Metallfri CO 2 Minskning"), där anatas och rutil hänvisar till två kristallina former av TiO 2 och införandet av oregelbundenheter (störning) i kristallen förbättrar absorptionen av synligt och infrarött ljus.
Figur 2. Effektiv och selektiv produktion av CO med olika nanopartiklar. (a) Grafen visar att hybrid TiO 2 /WO 3 -Ag (7BT/W1-A1) nanopartiklar är bäst på att selektivt producera ren CO, utan H 2 och CH 4 biprodukter inom en sju timmars tidsram. Dessa kan jämföras med nanopartiklar gjorda av blå TiO 2 , WO 3 , hybrid TiO 2 /WO 3 (7BT/W1) och hybrid TiO 2 /Ag (Wl-Al). (b) CO-produktion med användning av olika hybridnanopartiklar gjorda av TiO2/WO3-Ag (röda linjer), TiO 2 /WO 3 (gröna linjer) och TiO 2 -endast nanopartiklar (blå linjer) inom nio timmar. 7BT/W1-A1 med en koncentration på 1 procent silver har bäst prestanda. Kredit:Institutet för grundvetenskap
För effektiv artificiell fotosyntes för omvandling av CO 2 till syre och ren CO, IBS forskare syftade till att förbättra prestandan för dessa nanopartiklar genom att kombinera blå (Ao/Rd) TiO 2 med andra halvledare och metaller som kan förbättra vattenoxidationen till syre, parallellt med CO 2 minskning till endast CO.
Forskargruppen fick de bästa resultaten med hybridnanopartiklar gjorda av blå titandioxid, volframtrioxid (WO 3 ), och 1 procent silver (TiO 2 /WO 3 –Ag).
WO 3 valdes på grund av den låga valensbandpositionen med dess smala bandgap på 2,6 eV, hög stabilitet, och låg kostnad. Silver tillsattes för att det förbättrar absorptionen av synligt ljus, genom att skapa en kollektiv oscillation av fria elektroner exciterade av ljus, och ger också hög CO-selektivitet.
Hybridnanopartiklarna visade cirka 200 gånger högre prestanda än nanopartiklar gjorda av TiO 2 ensam och TiO 2 /WO 3 utan silver.
Med utgångspunkt från vatten och CO 2 , denna nya hybridkatalysator producerade O2 och ren CO, utan några biprodukter, såsom vätgas (H2) och metan (CH4). Det skenbara kvantutbytet som är förhållandet mellan flera reagerade elektroner och antalet infallande fotoner var 34,8 procent, och hastigheten för reagerade elektroner 2333,44 µmol g-1h-1. Samma mått var lägre för nanopartiklar utan silver (2053,2 µmol g-1h-1), och för nanopartiklar med endast blått TiO 2 (912,4 µmol g-lh-1).
