En ny katalysator kan ha dramatiska miljöfördelar om den kan leva upp till sin potential, föreslår forskning från Singapore. A*STAR-forskare har tagit fram en katalysator med guld-nanopartikelantenner som kan förbättra vattenkvaliteten i dagsljus och även generera väte som en grön energikälla.

Denna vattenreningsteknik utvecklades av He-Kuan Luo, Andy Hor och kollegor från A*STAR Institute of Materials Research and Engineering (IMRE). "All innovativ och godartad teknik som kan ta bort eller förstöra organiska föroreningar från vatten under omgivande förhållanden är mycket välkommen, " förklarar Hor, som är verkställande direktör för IMRE och även knuten till National University of Singapore.

Fotokatalytiska material utnyttjar solljus för att skapa elektriska laddningar, som ger den energi som behövs för att driva kemiska reaktioner i molekyler fästa vid katalysatorns yta. Förutom att bryta ner skadliga molekyler i vatten, fotokatalysatorer används för att dela vatten i dess komponenter av syre och väte; väte kan sedan användas som en grön energikälla.

Hor och hans team satte sig för att förbättra en befintlig katalysator. Syrebaserade föreningar som strontiumtitanat (SrTiO3) ser lovande ut, eftersom de är robusta och stabila material och lämpar sig för användning i vatten. En av teamets innovationer var att förbättra sin katalytiska aktivitet genom att tillsätta små mängder av metallen lantan, vilket ger ytterligare användbara elektriska laddningar.

Katalysatorer måste också fånga en tillräcklig mängd solljus för att katalysera kemiska reaktioner. Så för att göra det möjligt för fotokatalysatorn att skörda mer ljus, forskarna fäste guldnanopartiklar till de lantan-dopade SrTiO3-mikrosfärerna (se bild). Dessa guldnanopartiklar är berikade med elektroner och fungerar därför som antenner, koncentrera ljus för att påskynda den katalytiska reaktionen.

Den porösa strukturen hos mikrosfärerna resulterar i en stor yta, eftersom det ger mer bindningsutrymme för organiska molekyler att docka till. Ett enda gram av materialet har en yta på cirka 100 kvadratmeter. "Den stora ytan spelar en avgörande roll för att uppnå en bra fotokatalytisk aktivitet, " kommenterar Luo.

För att demonstrera effektiviteten hos dessa katalysatorer, forskarna studerade hur de sönderdelade färgämnet rhodamine B i vatten. Inom fyra timmar efter exponering för synligt ljus var 92 procent av färgämnet borta, vilket är mycket snabbare än konventionella katalysatorer som saknar guldnanopartiklar.

Dessa mikropartiklar kan också användas för vattenklyvning, säger Luo. Teamet visade att mikropartiklarna med guldnanopartiklar presterade bättre i vattenklyvningsexperiment än de utan, ytterligare belyser mångsidigheten och effektiviteten hos dessa mikrosfärer.