Tidningens författare som arbetar i laboratoriet:Lauren Heald, Scott Sayres, Jake Garcia. Kredit:Biodesigninstitutet vid Arizona State University
Fotokatalysatorer är användbara material, med en myriad av miljö- och energitillämpningar, inklusive luftrening, vattenbehandling, självrengörande ytor, föroreningsbekämpande färger och beläggningar, väteproduktion och CO 2 omvandling till hållbara bränslen.
En effektiv fotokatalysator omvandlar ljusenergi till kemisk energi och ger denna energi till ett reagerande ämne, för att hjälpa kemiska reaktioner att inträffa.
Ett av de mest användbara sådana materialen är känt som titanoxid eller titandioxid, mycket eftertraktad för sin stabilitet, effektivitet som fotokatalysator och icke-toxicitet för människor och andra biologiska organismer.
I ny forskning som visas i Journal of Physical Chemistry Letters , Scott Sayres och hans forskargrupp beskriver sina undersökningar av den molekylära dynamiken hos titandioxidkluster.
Sådan forskning är ett grundläggande steg mot utvecklingen av effektivare fotokatalysatorer.
Nyckeln till sådana framsteg är förmågan att förlänga tiden som elektroner i materialet kvarstår i ett exciterat tillstånd, eftersom denna flyktiga varaktighet är när titan kan fungera som en effektiv fotokatalysator.
Undersöka beteendet hos en fotokatalysator i detalj, dock, är en knepig strävan. Klustren är en nanometer eller mindre i storlek (eller 1/100, 000:e bredden av ett människohår) och elektronernas rörelser i molekylerna som studeras sker på förvånansvärt korta tidsskalor, mätt i femtosekunder (eller en miljondels miljarddels sekund).
Sayres-gruppen tillämpar en sekvens av laserpulser för att mäta fotodynamiken hos neutrala titandioxid (TiO2)n-kluster genom en teknik som kallas femtosekund pump-sond-spektroskopi. Små förändringar i arrangemanget av atomer orsakar förändringar i elektronernas (e-) och hålets (h+) rörelser. Kredit:Biodesigninstitutet vid Arizona State University
Den nya studien utforskar neutrala (oladdade) kluster av titaniumdioxid för första gången, spåra de subtila energirörelserna med en femtosekundlaser och en teknik som kallas pump-probe spektroskopi. "Vi behandlar våra lasrar som kameror, " säger Sayres. "Vi tar bilder av var energin flödar över tiden."
Sayres, en forskare vid Biodesign Center for Applied Structural Discovery, beskriver betydelsen av den aktuella studien:
"Vi har undersökt de minsta möjliga byggstenarna av titanium för att förstå förhållandet mellan hur små förändringar i materialets atomstruktur påverkar livslängden för det exciterade tillståndet och energiflödet. Att lära sig om hur detta händer kan hjälpa till att omforma bättre fotokatalysatorer i framtiden."
