Nincs rövidzárlat a titán-oxidban

A titán-oxid fotokatalízisének tisztázott alapvető mechanizmusai

A titán-dioxid képes a fényt kémiai energiává alakítani. Ennek az oxidnak a (b) módosító anatázja sokkal hatékonyabb, mint az (a) rutil. © Mingchun Xu, Ruhr-Egyetemi Bochum
felolvasta

A titanoxid molekula fotokatalizátor: a napfény által gerjesztett, felbomlik a vízre, és így kémiai energiát generál. Korábban nem volt ismert, hogy ez történt, és egy kutatócsoport először bepillantást kapott a titán-oxid fotokémiájának alapvető mechanizmusaiba. Az új megállapítások többek között felhasználhatók a napfény által hidrogént előállító fotoreaktorok optimalizálására.

A napfény energiáját nemcsak a napenergiában vagy a fotovoltaikus energiában lehet felhasználni, hanem a napenergia kémiai energiává történő közvetlen átalakítására is, például a víz megosztásával. A leghatékonyabb, de rosszul megértett eljárás a titán-oxid-alapú fotokatalízis. A titán-dioxid fotoaktív anyag, természetesen előfordul a rutil és az anatáz két módosításakor, az anatáz forma tízszeresen nagyobb fotokémiai aktivitással rendelkezik.

Az izgatott elektronok megosztják a vizet

Ha fény esik erre a fehér porra, amelyet pigmentekként használnak a festésben és a fényvédőben is, az elektronokat gerjesztett állapotba helyezzük, és például a vizet megoszthatjuk alkotóelemeikben oxigénné és hidrogénné. Az ily módon előállított hidrogén "tiszta" energiaforrás, mivel égéskor nem éghajlatot káros üvegházhatású gázokat termel, hanem csak vizet. Ezen titán-dioxid felületeken végzett fotokémiai reakciók fizikai mechanizmusait és különösen az anatáz sokkal nagyobb aktivitásának okát még nem sikerült tisztázni, mivel az ehhez használt porrészecskék apróak, csupán néhány nanométerrel.

Az egykristály vizsgálata

Az ilyen kis részecskék nem alkalmasak a felszíni elemzés hatékony módszereivel történő vizsgálathoz. Christof Wöll professzor irányítása alatt a KIT Funkcionális Interfészek Intézetének (IFG), a St. Andrews (Skócia) és a Bochum egyetemek, valamint a berlini Helmholtz Kutatóközpont kollégáival együttműködve sikerült új betekintést nyerni az alapvető mechanizmusokba. titán-dioxid (TiO2) fotokémiai nyerése.

Méréseikhez a kutatók milliméter méretű monokristályokat használtak. A titán-dioxid felületén levő fotokémia pontos mérését ezután először elvégezték ezen új szubsztrátokon egy új infravörös spektrométer segítségével. Ezenkívül a tudósok lézer alapú technikát alkalmaztak a TiO2 kristályok belsejében a fény által generált elektronikus gerjesztések élettartamának meghatározására. kijelző

Az anatáz megakadályozza a belső rövidzárlatot

Ezekre a folyamatokra vonatkozó pontos információ rendkívül fontos, ahogy Christof W ll, az IFG vezetője elmagyarázza: „A rövid élet azt jelenti, hogy a gerjesztett elektronok azonnal visszatérnek eredeti állapotukba esni. Ez egyfajta belső rövidzárlatot hoz létre. Hosszú élettartam mellett az elektronok elég sokáig izgatott állapotban vannak, hogy elérjék a kristály felületét, ahol kémiai folyamatokat kezdeményeznek.

Az anatáz erre különösen alkalmas, mivel ennek az anyagnak az elektronikus szerkezete különleges tulajdonsággal rendelkezik, amely megakadályozza ezt a "belső rövidzárlatot". Ennek az oknak a ismerete lehetővé teszi a kutatók számára, hogy tovább optimalizálják a fotoreaktorokban használt anatáz részecskék alakját, méretét és a doppingját. A cél a nagyobb hatékonyságú és hosszabb élettartamú fotoaktív anyagok fejlesztése.

DieA napfényből származó elektromos és kémiai energia előállításához a W ll és munkatársainak eredményei nagy jelentőséggel bírnak, különös tekintettel a fotoreaktorok optimalizálására. - mondta professzor, professzor, Olaf Deutschmann szóvivője a Helmholtz kutatási képzési csoportjának "Energiafüggő katalízis".

(Karlsruhe Technológiai Intézet, 2011.04.15. - NPO)