Site Sponsors
  • Park Systems - Manufacturer of a complete range of AFM solutions
  • Oxford Instruments Nanoanalysis - X-Max Large Area Analytical EDS SDD
  • Strem Chemicals - Nanomaterials for R&D
Posted in | Nanomaterials | Nanoenergy

Forskere Indføre Disorder i titanium dioxid nanokrystaller at skabe effektive fotokatalysator

Published on January 31, 2011 at 12:56 AM

En lille lidelse går en lang vej, især når det kommer til at udnytte solens energi.

Forskere fra det amerikanske energiministeriums Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) rodet den atomare struktur af overfladen lag af titandioxid nanokrystaller, at skabe en katalysator, der er både langvarig og mere effektiv end alle andre materialer i at bruge solens energi til at udvinde brint fra vand.

Deres fotokatalysator, der accelererer lys-drevet kemiske reaktioner, er den første til at kombinere holdbarhed og rekordstort effektivitet, hvilket gør det til en udfordrer til brug i flere rene energiteknologier.

Det kunne give en forureningsfri måde at producere brint til brug som en energibærer i brændselsceller. Brændselsceller er eyed som et alternativ til forbrændingsmotorer i biler. Molekylær brint, dog findes naturligt på Jorden kun i meget lave koncentrationer. Det skal udvindes fra råmaterialer såsom naturgas eller vand, en energiintensiv proces, der er en af ​​de hindringer for en bred implementering af teknologien.

"Vi forsøger at finde bedre måder at generere brint fra vand ved hjælp af solskin," siger Samuel Mao, en videnskabsmand i Berkeley Lab Environmental Energy Technologies Division, der ledede forskningen. "I dette værk, indførte vi uorden i titanium dioxid nanokrystaller, der i høj grad forbedrer lysabsorption evne og effektivitet i produktion af brint fra vand."

Mao er den tilsvarende forfatter af et dokument om denne forskning, der blev offentliggjort online 20 januar, 2011 i Science Express med titlen "Forøgelse af Solar Absorption for fotokatalyse med Black, Hærdet titandioxid nanokrystaller." Co-authoring papiret med Mao er kolleger Berkeley Lab forskere Xiaobo Chen Lei Liu, og Peter Yu.

Mao og hans forskergruppe startede med nanokrystaller af titanium dioxid, som er et halvledermateriale, der bruges som en fotokatalysator at fremskynde kemiske reaktioner, som f.eks udnytte energi fra solen til at levere elektroner, spalte vand til ilt og brint. Selvom holdbare, er titandioxid ikke en meget effektiv photocatlayst. Forskere har arbejdet på at øge dets effektivitet ved at tilføje urenheder og gøre andre ændringer.

The Berkeley Lab Forskerne prøvede en ny fremgangsmåde. Ud over at tilføje urenheder, manipuleret de uorden i almindelighed perfekte atom-by-atom gitter struktur overflade lag af titandioxid nanokrystaller. Denne lidelse blev introduceret via hydrogenering.

Resultatet er den første lidelse-manipuleret nanocrystal. Et transformation var indlysende: Den normalt hvide titandioxid nanokrystaller blevet sorte, et tegn på at manipuleret lidelse yielded infrarød absorption.

Forskerne har også anede uorden boostet fotokatalysator præstation. For at finde ud af, om deres fornemmelse var korrekt, at de fordybet forstyrrelse-manipuleret nanokrystaller i vand og udsat dem for simuleret sollys. De fandt, at 24 procent af sollyset absorberes af fotokatalysator blev konverteret til brint, en årlig produktion på, der er omkring 100 gange større end udbyttet af de fleste halvleder photocatalysts.

Hertil kommer, gjorde deres fotokatalysator ikke vise nogen tegn på forringelse under en 22-dages test periode, hvilket betyder at det potentielt er holdbart nok til den virkelige verden bruger.

Dens skelsættende effektivitet hovedsagelig stammer fra fotokatalysator evne til at absorbere infrarødt lys, hvilket gør det det første titandioxid fotokatalysator til at absorbere lys i denne bølgelængde. Det er også absorberer synligt og ultraviolet lys. I modsætning hertil kun de fleste titandioxid photocatalysts absorberer ultraviolet lys, og dem, der indeholder fejl, kan absorbere synligt lys. Ultraviolet lys tegner sig for mindre end ti procent af solenergi.

"Jo mere energi fra solen, der kan absorberes af en fotokatalysator, jo flere elektroner kan leveres til en kemisk reaktion, der gør sort titanium dioxid et meget attraktivt materiale," siger Mao, der er desuden adjungeret ingeniør professor ved universitetet of California i Berkeley.

Holdets spændende eksperimentelle resultater blev yderligere belyst ved teoretiske fysikere Peter Yu og Lei Liu, der udforskede hvordan jumbling det gitter af atomer på nanocrystal overflade via hydrogenering ændrer elektroniske egenskaber. Deres beregninger viste, at uorden, i form af gitter defekter og brint, gør det muligt for indkommende fotoner at vække elektroner, som derefter hoppe over en spalte, hvor ingen elektron stater kan eksistere. Når tværs af denne kløft, elektronerne er frie til at energize den kemiske reaktion, der spalter vand til brint og ilt.

"Ved at indføre en særlig form for lidelse, er midt i kløften elektronisk stater skabte ledsaget af en reduceret båndgab," siger Yu, der også er professor ved University of California i Berkeley fysik afdeling. "Det gør det muligt for den infrarøde del af solens spektrum, der skal absorberes og bidrage til fotokatalyse."

Kilde: http://www.lbl.gov/

Last Update: 8. October 2011 21:40

Tell Us What You Think

Do you have a review, update or anything you would like to add to this news story?

Leave your feedback
Submit