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Posted in | Nanomaterials | Nanoenergy

Introduzir os cientistas Transtorno em nanocristais de dióxido de titânio para criar fotocatalisador eficiente

Published on January 31, 2011 at 12:56 AM

Uma doença pouco vai um longo caminho, especialmente quando se trata de aproveitar a energia do sol.

Cientistas do Departamento dos EUA, Lawrence Energia Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) misturadas a estrutura atômica da camada de superfície de nanocristais de dióxido de titânio, criando um catalisador que seja duradouro e mais eficiente do que todos os materiais com o uso de energia solar para extrair hidrogênio da água.

Sua fotocatalisador, que acelera reações químicas luz-driven, é o primeiro a combinar eficiência e durabilidade recorde, tornando-o um candidato para uso em várias tecnologias de energia limpa.

Poderia oferecer uma forma livre de poluição para produzir hidrogênio para uso como um portador de energia em células a combustível. As células de combustível têm sido olhos como uma alternativa aos motores de combustão em veículos. Hidrogênio molecular, no entanto, existe naturalmente na Terra apenas em concentrações muito baixas. Ele deve ser extraído de matérias-primas como o gás natural ou água, um processo intensivo de energia que é uma das barreiras para a implementação generalizada da tecnologia.

"Estamos tentando encontrar melhores formas de gerar o hidrogênio da água usando luz solar", diz Samuel Mao, um cientista em Berkeley Lab Ambiental da Divisão de Tecnologias de Energia que liderou a pesquisa. "Neste trabalho, introduzimos desordem em nanocristais de dióxido de titânio, o que melhora sua capacidade de absorção de luz e eficiência na produção de hidrogênio da água."

Mao é o autor de um artigo sobre esta pesquisa que foi publicada online 20 janeiro de 2011 na Science Express, com o título "O aumento da absorção solar para Fotocatálise com Black, hidrogenados Nanocristais Dióxido de Titânio". Co-autor do papel com Mao são companheiros Berkeley Lab pesquisadores Xiaobo Chen, Liu Lei, e Peter Yu.

Mao e seu grupo de pesquisa começou com nanocristais de dióxido de titânio, que é um material semicondutor que é usado como fotocatalisador para acelerar reações químicas, tais como aproveitamento da energia do sol para fornecer elétrons que dividir a água em oxigênio e hidrogênio. Embora resistente, dióxido de titânio não é um photocatlayst muito eficiente. Os cientistas têm trabalhado para aumentar a sua eficiência pela adição de impurezas e fazer outras modificações.

Os cientistas de Berkeley Lab tentou uma nova abordagem. Além de adicionar impurezas, eles engenharia desordem na estrutura cristalina normalmente perfeita átomo por átomo da camada de superfície de nanocristais de dióxido de titânio. Esta desordem foi introduzido através de hidrogenação.

O resultado é o primeiro transtorno de engenharia nanocristais. Uma transformação era evidente: os nanocristais de dióxido de titânio geralmente branca tornou-se negro, um sinal de que o transtorno de engenharia rendeu absorção de infravermelho.

Os cientistas também surmised desordem impulsionou o desempenho do fotocatalisador é. Para descobrir se o seu palpite estava certo, eles imersos distúrbio de engenharia nanocristais em água e expô-los à luz solar simulada. Eles descobriram que 24 por cento da luz solar absorvida pelo fotocatalisador foi convertido em hidrogênio, uma taxa de produção que é de cerca de 100 vezes maior que o rendimento de fotocatalisadores mais de semicondutores.

Além disso, sua fotocatalisador não mostrou quaisquer sinais de degradação durante um período de testes de 22 dias, o que significa que é potencialmente durável o suficiente para uso no mundo real.

Sua eficiência marco deriva em grande parte a capacidade do fotocatalisador para absorver a luz infravermelha, tornando-o o fotocatalisador dióxido de titânio primeiro para absorver a luz neste comprimento de onda. Ele também absorve a luz visível e ultravioleta. Em contraste, a maioria dos fotocatalisadores de dióxido de titânio apenas absorve a luz ultravioleta, e aqueles que contêm defeitos podem absorver a luz visível. Ultravioleta contas de luz para menos de dez por cento da energia solar.

"Quanto mais a energia do sol que pode ser absorvida por um fotocatalisador, os elétrons mais pode ser fornecido a uma reação química, o que torna dióxido de titânio preto um material muito atraente", diz Mao, que também é professor adjunto de engenharia na Universidade da Califórnia em Berkeley.

A equipe é intrigante achados experimentais foram esclarecidas pelos físicos teóricos Peter Yu e Liu Lei, que explorou como jumbling toda a rede de átomos na superfície da nanocristais é através de mudanças de hidrogenação suas propriedades eletrônicas. Seus cálculos revelaram que o transtorno, em forma de treliça defeitos e hidrogênio, torna possível para fótons para excitar os elétrons, que depois saltar através de uma abertura em que nenhum estado elétron pode existir. Depois de passar esta lacuna, os elétrons são livres para energizar a reação química que divide a água em hidrogênio e oxigênio.

"Com a introdução de um tipo específico de distúrbio, mid-gap estados eletrônicos são criados acompanhado por um gap reduzido", diz Yu, que também é professor na Universidade da Califórnia em Berkeley do Departamento de Física. "Isso torna possível para a parte infravermelha do espectro solar para ser absorvidos e contribuir para a fotocatálise."

Fonte: http://www.lbl.gov/

Last Update: 3. October 2011 10:01

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