För att bekämpa klimatförändringar, att byta från fossila bränslen till rena och hållbara energikällor är absolut nödvändigt. En populär kandidat i detta avseende är väte, ett miljövänligt bränsle som endast producerar vatten när det används. Dock, de effektiva metoderna för väteproduktion är vanligtvis inte miljövänliga. Det miljövänliga alternativet att klyva vatten med solljus för att producera väte är ineffektivt och lider av låg stabilitet hos fotokatalysatorn (material som underlättar kemiska reaktioner genom att absorbera ljus). Hur löser man problemet med att utveckla en stabil och effektiv fotokatalysator?

I en studie som nyligen publicerades i Applied Catalysis B:Environmental , en internationell grupp forskare, ledd av biträdande professor Yeonho Kim från Incheon National University i Korea, tog upp denna fråga och rapporterade om prestanda hos polydopamin (PDA) -belagda zinksulfid (ZnS) nanoroder som fotokatalysator, vilket visade en ökning av väteproduktionen med 220% jämfört med enbart ZnS -katalysator! Dessutom, det visade anständig stabilitet, behåller nästan 79% av sin aktivitet efter att ha bestrålats i 24 timmar. Dr. Kim beskriver motivationen bakom deras forskning, "ZnS har olika fotokemiska applikationer eftersom det snabbt kan generera elektriska laddningsbärare under solljus. Men solljus orsakar också oxidation av sulfidjoner som leder till fotokorrosion av ZnS. Nyligen, studier visade att PDA-beläggningar med kontrollerad tjocklek på en fotokatalysator kan förbättra konverteringseffektiviteten för solenergi och förbättra fotostabiliteten. Men, än så länge, ingen studie har behandlat de fysikalisk-kemiska förändringarna vid gränssnittet mellan ZnS/PDA. Därför, vi ville studera effekten av PDA -bindning på ZnS fotokatalytiska prestanda. "

Forskarna tillverkade de PDA-belagda ZnS-nanokatalysatorerna genom polymerisation för att belägga dopamin på ZnS-nanoroder, och varierade polymerisationsperioden för att skapa prover av tre olika PDA -tjocklekar - 1,2 nm (ZnS/PDA1), 2,1 nm (ZnS/PDA2), och 3,5 nm (ZnS/PDA3). De mätte sedan fotokatalytiska prestanda hos dessa prover genom att övervaka deras väteproduktion under simulerad solljusbelysning.

ZnS/PDA1 -katalysatorn visade den högsta väteproduktionshastigheten följt av ZnS/PDA2, obestruket ZnS, och ZnS/PDA3. Teamet tillskrev den sämre prestandan för ZnS/PDA2 och ZnS/PDA3 till mer ljusabsorption av de tjockare PDA -beläggningarna, vilket reducerade ljuset som når ZnS och hindrade de upphetsade laddningsbärarna att nå ytan; obestruket ZnS, tvärtom, genomgick fotokorrosion.

För att förstå den elektroniska strukturens roll i den observerade förbättringen, forskarna mätte utsläpps- och utrotningsspektra av proverna tillsammans med densitetsfunktionella teoriberäkningar. Den förra avslöjade att den förbättrade absorptionen berodde på att Zn-O- eller O-Zn-S-skal bildades på ZnS och skapandet av energinivåer nära valensbandet (högsta atomnivå fylld med elektroner) som kan acceptera "hål" (frånvaro av elektroner), medan beräkningarna visade att ZnS/PDA har en unik "dubbelt förskjuten" elektronisk struktur som underlättar transport och separation av laddningsbärare vid ytan. Den förbättrade hållbarheten berodde på minskad oxidativ kapacitet hos hål i valenstillstånden hos PDA.

Dr. Kim och hans team hoppas på bredare tillämpningar av deras teknik. "Polydopaminbeläggningen som används i vårt arbete är också tillämplig på andra grupper av selenid, boride, och telluridbaserade katalysatorer, "kommenterar Dr. Kim.

Framtiden kan verkligen vara väte.