Väteperoxid används i många industrier för en mängd olika ändamål, inklusive blekning, avloppsrening, sterilisering och till och med som raketbränsle. Eftersom väteperoxids biprodukt är vatten, har det hyllats som en "grön", miljövänlig kemikalie, men en närmare titt på väteperoxids produktionsprocess avslöjar en mer komplicerad historia. Problem som mängden energi som används för produktionsprocessen och brytning av de kemikalier som krävs har dramatiska miljöeffekter. När efterfrågan ökar på väteperoxid globalt försöker forskare hitta nya sätt att producera väteperoxid som är säkrare och bättre för miljön.

Tidigare forskning har identifierat tekniker som använder fotokatalys, användning av ljus för att starta en kemisk reaktion och heta elektroner, som är högenergielektroner som har laddats genom synligt och infrarött ljus, som alternativa lösningar till väteperoxidproduktion. Både fotokatalys och heta elektroner har använts i gröna energialternativ, som solenergi, tidigare, men begränsningar för båda processerna har hindrat dem från att implementeras för produktion av väteperoxid.

För att ta itu med några av dessa begränsningar har forskare vid Shanghai Jiao Tong University hittat sätt att få de heta elektronerna att hålla längre så att fotokatalys kan användas för att producera väteperoxid i en säkrare, renare produktionsprocess.

Resultaten publicerades den 25 juni i Nano Research .

Pappersförfattaren Xinhao Li, professor vid School of Chemistry and Chemical Engineering vid Shanghai Jiao Tong University, förklarade några av begränsningarna med att använda heta elektroner i produktionen av väteperoxid. "Livstiden för heta elektroner, typiskt på en tidsskala på 0,4 till 0,3 pikosekunder, kunde inte matchas väl med tidsskalan för typiska kemiska reaktioner, inklusive syrereduktionsreaktionen till väteperoxid. På grund av detta är det tilltalande att utveckla kraftfulla metoder för att förlänga livslängden för termaliserade heta bärare över billiga fotokatalysatorer för produktion av väteperoxid med enbart vatten, luft och solljus," sa Li.

Metoden för att upprätthålla energin hos de heta elektronerna som forskare föreslår är okomplicerad. En heterojunction - en kombination av två olika lager av halvledare - av rutil titandioxid och grafen görs för att skörda de heta elektronerna. De första forskarna undersökte sätt att syntetiskt producera rutil titandioxid snabbt och effektivt. Det tar 24 timmar för fasöverföringsprocessen genom malningsmetod att omvandla anatas titandioxid till rutil titandioxid, men forskare kunde minska detta till 5 minuter.

Kombinationen av rutil titandioxid och grafen bildar en förhöjd Schottky-barriär, vilket är avgörande för att förlänga livslängden för heta elektroner. En Schottky-barriär bildas mellan en metall och halvledare och fungerar som en barriär för elektroner. Eftersom Schottky-barriären mellan rutil titandioxid och grafen är hög, underlättar den den heta elektroninsprutningen och förhindrar att elektronerna strömmar bakåt genom barriären. Den förhöjda barriären uppnås på grund av den snabba fasöverföringen mellan anatas titandioxid och rutil titandioxid. Den snabba fasöverföringen och den förhöjda barriären möjliggör en lång fluorescenslivslängd och bättre effektivitet, vilket ökar väteperoxidproduktionen med hjälp av synligt och nära infrarött ljus. Forskare misstänker att grafen/rutil titandioxid kan återanvändas under minst sex cykler av standardreaktioner, vilket gör den ännu effektivare för att producera väteperoxid.

När det gäller vad som händer härnäst ser forskare framåt på hur man kan förenkla processen. "I uppföljningsarbetet hoppas vi kunna utveckla enklare strategier för att optimera fotokatalysens heterostruktur för att ytterligare förbättra utnyttjandet av fotogenererade heta elektroner. Detta fotokatalytiska system som drivs av fotogenererade heta elektroner på billiga ädelmetallfria heterojunctions visar betydande potential som ett nytt artificiellt fotosyntessystem," sa Li. + Utforska vidare

Hur guldnanopartiklar kan förbättra lagringen av solenergi