Posted in | Nanomaterials | Nanoenergy

Forskere Innføre Disorder i Titanium Dioxide nanokrystaller å skape effektive photocatalyst

Published on January 31, 2011 at 12:56 AM

Litt lidelse går en lang vei, spesielt når det gjelder å utnytte solens energi.

Forskere fra US Department of Energy er Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) jumbled atom strukturen i overflatelaget av titandioksid nanokrystaller, skaper en katalysator som er både langvarig og mer effektiv enn alle andre materialer i å bruke solens energi å utvinne hydrogen fra vann.

Deres photocatalyst, som akselererer lys-drevet kjemiske reaksjoner, er den første til å kombinere slitestyrke og rekordstore effektivitet, gjør det til en kandidat for bruk i flere ren-energi-teknologier.

Det kunne tilby en forurensningsfri måte å produsere hydrogen til bruk som energibærer i brenselceller. Brenselceller har vært eyed som et alternativ til forbrenningsmotorer i kjøretøyer. Molekylært hydrogen, derimot, finnes naturlig på jorden kun i svært lave konsentrasjoner. Det må være hentet fra feedstocks som naturgass eller vann, en energikrevende prosess som er en av barrierene for omfattende bruk av teknologien.

"Vi prøver å finne bedre måter å produsere hydrogen fra vann ved hjelp av solen", sier Samuel Mao, en forsker i Berkeley Lab er Environmental Energy Technologies Division som ledet forskningen. "I dette arbeidet innførte vi uorden i titandioksid nanokrystaller, som i stor grad forbedrer sitt lys absorpsjonsevne og effektivitet i å produsere hydrogen fra vann."

Mao er den tilsvarende forfatteren av en artikkel om dette forskning som ble publisert online 20 januar 2011 i Science Express med tittelen "Økende Solar Absorpsjon for Photocatalysis med Black, hydrogenert Titanium Dioxide nanokrystaller." Co-authoring papiret med Mao er stipendiat Berkeley Lab forskere Xiaobo Chen, Lei Liu, og Peter Yu.

Mao og hans forskergruppe startet med nanokrystaller av titandioksid, som er et halvledermateriale som brukes som en photocatalyst å akselerere kjemiske reaksjoner, slik som å utnytte energi fra solen for å levere elektroner som splitte vann i oksygen og hydrogen. Selv holdbare, er titandioksid ikke en veldig effektiv photocatlayst. Forskere har jobbet med å øke sin effektivitet ved å legge til urenheter og gjøre andre endringer.

The Berkeley Lab forskerne prøvd en ny tilnærming. I tillegg til å legge urenheter, utviklet de uorden i den vanligvis perfekt atom-by-atom gitterstrukturen av overflaten lag av titandioksid nanokrystaller. Denne lidelsen ble introdusert via hydrogenering.

Resultatet er den første lidelse-konstruert nanocrystal. Ett transformasjon var åpenbar: den som regel hvite titandioksid nanokrystaller blitt svart, et tegn på at konstruert lidelse ga infrarød absorpsjon.

Forskerne har også surmised uorden styrket photocatalyst ytelse. For å finne ut om deres anelse var riktig, fordypet de uorden-konstruert nanokrystaller i vann og utsatt dem for simulert sollys. De fant at 24 prosent av sollyset absorberes av photocatalyst ble omdannet til hydrogen, en produksjon sats som er omtrent 100 ganger større enn avkastningen av de fleste halvledere photocatalysts.

I tillegg gjorde sitt photocatalyst ikke viser noen tegn til nedbrytning i løpet av en 22-dagers test periode, mao det er potensielt holdbare nok for den virkelige verden.

Dens landemerke effektivitet stammer hovedsakelig fra photocatalyst evne til å absorbere infrarødt lys, noe som gjør det første titandioksid photocatalyst å absorbere lys i denne bølgelengde. Det absorberer også synlig og ultrafiolett lys. I kontrast, absorberer mest titandioksid photocatalysts bare ultrafiolett lys, og de som inneholder defekter kan absorbere synlig lys. Ultrafiolett lys står for mindre enn ti prosent av solenergi.

"Jo mer energi fra sola som kan bli absorbert av en photocatalyst, kan flere elektroner leveres til en kjemisk reaksjon som gjør svart titandioksid en svært attraktiv materiale," sier Mao, som også er et supplement ingeniør professor ved universitetet of California i Berkeley.

Lagets spennende eksperimentelle funnene ble ytterligere belyst av teoretiske fysikere Peter Yu og Lei Liu, som utforsket hvordan jumbling det flettverket av atomer på nanocrystal overflate via hydrogenering skifter elektroniske egenskaper. Deres beregninger viser at lidelse, i form av gitter defekter og hydrogen, gjør det mulig for innkommende fotoner til å opphisse elektroner, som deretter hoppe over et gap der ingen elektron stater kan eksistere. Når over dette gapet, elektronene står fritt til å energize den kjemiske reaksjonen som splitter vann til hydrogen og oksygen.

"Ved å innføre en bestemt type lidelse, er mid-gap elektronisk stater opprettet ledsaget av en redusert bandet gap", sier Yu, som også er professor ved University of California i Berkeley er Physics Department. "Dette gjør det mulig for den infrarøde delen av solspekteret å bli absorbert og bidra til photocatalysis."

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

Last Update: 8. October 2011 01:09

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