En nanoskala på en fotokatalysator som är både hållbar och mycket effektiv. Denna högupplösta överföringselektronmikroskopbild av en titandioxid-nanokristall efter hydrogenering avslöjar konstruerad störning på kristallens yta, en förändring som gör det möjligt för fotokatalysatorn att absorbera infrarött ljus.
(PhysOrg.com) - En liten störning räcker långt, speciellt när det gäller att utnyttja solens energi. Forskare från US Department of Energy’s Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) blandade ihop atomstrukturen i ytskiktet av titandioxid -nanokristaller, skapa en katalysator som är både långvarig och effektivare än alla andra material för att använda solens energi för att utvinna väte från vatten.
Deras fotokatalysator, som påskyndar ljusdrivna kemiska reaktioner, är den första som kombinerar hållbarhet och rekord effektivitet, vilket gör det till en utmanare för användning i flera tekniker för ren energi.
Det kan erbjuda ett föroreningsfritt sätt att producera väte för användning som energibärare i bränsleceller. Bränsleceller har setts som ett alternativ till förbränningsmotorer i fordon. Molekylärt väte, dock, existerar naturligt på jorden bara i mycket låga koncentrationer. Det måste utvinnas från råvaror som naturgas eller vatten, en energikrävande process som är ett av hindren för en omfattande implementering av tekniken.
"Vi försöker hitta bättre sätt att generera väte från vatten med solsken, Säger Samuel Mao, en forskare vid Berkeley Labs division för miljömässiga energiteknologier som ledde forskningen. ”I detta arbete, vi införde störningar i titandioxid nanokristaller, vilket förbättrar sin ljusabsorptionsförmåga och effektivitet för att producera väte från vatten. ”
Mao är motsvarande författare till ett papper om denna forskning som publicerades online den 20 januari. 2011 i Science Express med titeln “Ökande solabsorption för fotokatalys med svart, Hydrerade titandioxid-nanokristaller. ”I samarbete med Mao är andra Berkeley Lab-forskare Xiaobo Chen, Lei Liu, och Peter Yu.
Mao och hans forskargrupp började med nanokristaller av titandioxid, som är ett halvledarmaterial som används som fotokatalysator för att påskynda kemiska reaktioner, som att utnyttja energi från solen för att leverera elektroner som delar vatten i syre och väte. Även om det är hållbart, titandioxid är inte en mycket effektiv fotokatt. Forskare har arbetat för att öka dess effektivitet genom att lägga till föroreningar och göra andra ändringar.
Forskarna i Berkeley Lab försökte en ny metod. Förutom att lägga till föroreningar, de konstruerade störning till den vanligtvis perfekta atom-för-atom-gitterstrukturen hos ytskiktet av titandioxid-nanokristaller. Denna störning introducerades via hydrogenering.
Resultatet är den första störningstekniska nanokristallen. En omvandling var uppenbar:de vanligtvis vita titandioxid -nanokristallerna blev svarta, ett tecken på att manipulerad störning gav infraröd absorption.
Forskarna antog också att störningar ökade fotokatalysatorns prestanda. För att ta reda på om deras aning var korrekt, de nedsänkte störningstekniska nanokristaller i vatten och utsatte dem för simulerat solljus. De fann att 24 procent av solljuset som absorberas av fotokatalysatorn omvandlades till väte, en produktionshastighet som är cirka 100 gånger större än avkastningen för de flesta halvledarfotokatalysatorer.
Dessutom, deras fotokatalysator visade inga tecken på nedbrytning under en 22-dagars testperiod, vilket betyder att den är tillräckligt hållbar för verklig användning.
Berkeley Lab-forskaren Samuel Mao leder ett forskargrupp som letar efter hållbara sätt att generera väte för användning i ren energi-teknik. I en första utveckling i sitt slag, de rörde ihop ytskiktet av titandioxid nanokristaller, en bedrift som gjorde materialet från vitt till svart. Det skapade också en fotokatalysator vars effektivitet överträffar andra när de använder solens energi för att utvinna väte från vatten. (Foto av Roy Kaltschmidt, Berkeley Lab Public Affairs)
Dess viktiga effektivitet härrör till stor del från fotokatalysatorns förmåga att absorbera infrarött ljus, vilket gör den till den första fotokatalysatorn för titandioxid som absorberar ljus i denna våglängd. Det absorberar också synligt och ultraviolett ljus. I kontrast, de flesta titandioxidfotokatalysatorer absorberar bara ultraviolett ljus, och de som innehåller defekter kan absorbera synligt ljus. Ultraviolett ljus står för mindre än tio procent av solenergin.
”Ju mer energi från solen som kan absorberas av en fotokatalysator, ju fler elektroner som kan tillföras en kemisk reaktion, vilket gör svart titandioxid till ett mycket attraktivt material, Säger Mao, som också är adjungerad ingenjörsprofessor vid University of California i Berkeley.
Teamets spännande experimentella fynd belystes ytterligare av teoretiska fysiker Peter Yu och Lei Liu, som undersökte hur förvirring av atomernas gitter på nanokristallens yta genom hydrogenering förändrar dess elektroniska egenskaper. Deras beräkningar visade att störningen, i form av gitterdefekter och väte, gör det möjligt för inkommande fotoner att excitera elektroner, som sedan hoppar över ett gap där inga elektrontillstånd kan existera. En gång över detta gap, elektronerna är fria att aktivera den kemiska reaktionen som delar vatten i väte och syre.
”Genom att införa en specifik typ av störning, mid-gap elektroniska tillstånd skapas tillsammans med ett minskat bandgap, Säger Yu, som också är professor vid University of California vid Berkeleys fysikavdelning. "Detta gör det möjligt för den infraröda delen av solspektrumet att absorberas och bidra till fotokatalysen."
Denna forskning stöddes av Department of Energy’s Office of Energy Efficiency and Renewable Energy. Transmissionselektronmikroskopi avbildning som används för att studera nanokristaller i atomskala utfördes vid National Center for Electron Microscopy, en nationell användaranläggning på Berkeley Lab.
