Figura 1. Diagramma energetico proposto che rappresenta il meccanismo di trasferimento degli elettroni in TiO 2 /WO 3 -Nanoparticelle ibride di Ag. Questo cosiddetto schema Z mostra il flusso di particelle cariche (elettroni, e- e buchi, , h+) attraverso i diversi componenti delle nanoparticelle. Blu TiO 2 e WO 3 e- può occupare più basso (banda di valenza, VB) e superiori (banda conduttiva, CB) livelli di energia. I fotoni della luce solare (tuoni) forniscono l'energia per l'e- per saltare dal VB al CB (frecce nere che puntano verso l'alto), lasciando h+ indietro. TiO 2 la banda inferiore è vicina, appena un po' più basso del livello di banda più alto di WO3, quindi e- dalla banda alta di WO3 può migrare alla VB di blu TiO 2 per intrappolare i suoi buchi. Dopo la separazione, l'e-salto eccitato dal CB di TiO 2 su nanoparticelle d'argento permettendo la conversione della CO 2 in CO, mentre l'h+ fotogenerato nel WO 3 sito ossidare acqua (H 2 O) per formare ossigeno (O 2 ). Credito:Istituto per le scienze di base
Raccogliendo la luce del sole, ricercatori del Centro di Fisica Integrata delle Nanostrutture, all'interno dell'Istituto per le Scienze di Base (IBS, Corea del Sud) pubblicato in Materiali oggi ("Semiconduttori ibridi decorati in metallo nanostrutturati altamente efficienti selettivi di fase per la conversione solare di CO 2 ad Absolute CO Selectivity") una nuova strategia per trasformare l'anidride carbonica (CO 2 ) in ossigeno (O 2 ) e monossido di carbonio puro (CO) senza derivati in acqua. Questo metodo di fotosintesi artificiale potrebbe portare nuove soluzioni all'inquinamento ambientale e al riscaldamento globale.
Mentre, nelle piante verdi, la fotosintesi fissa la CO 2 in zuccheri, la fotosintesi artificiale riportata in questo studio può convertire la CO 2 in ossigeno e CO pura in uscita. Quest'ultimo può quindi essere impiegato per una vasta gamma di applicazioni in elettronica, semiconduttore, farmaceutico, e industrie chimiche.
La chiave è trovare il fotocatalizzatore ad alte prestazioni giusto per aiutare la fotosintesi assorbendo la luce, convertire CO 2 , e garantendo un flusso efficiente di elettroni, che è essenziale per l'intero sistema.
Ossido di titanio (TiO 2 ) è un noto fotocatalizzatore. Ha già attirato un'attenzione significativa nel campo della conversione dell'energia solare e della protezione ambientale grazie alla sua elevata reattività, bassa tossicità, stabilità chimica, e basso costo.
Mentre TiO . convenzionale 2 può assorbire solo la luce UV, il team di ricerca IBS ha riportato in precedenza due diversi tipi di TiO di colore blu 2 (o "titania blu") nanoparticelle che potrebbero assorbire la luce visibile grazie a un bandgap ridotto di circa 2,7 eV.
Erano fatti di anatasio ordinato/rutilo disordinato (Ao/Rd) TiO 2 (chiamato, TiO . blu di HYL 2 -I) ("Un sistema di giunzione ordine/disordine/acqua per la generazione di idrogeno fotocatalitico senza co-catalizzatore altamente efficiente"), e anatasio disordinato/rutilo ordinato (Ao/Rd) TiO 2 (chiamato, TiO . blu di HYL 2 -II) ("Visibile-guidato dalla luce, CO . senza metalli 2 Riduzione"), dove anatasio e rutilo si riferiscono a due forme cristalline di TiO 2 e l'introduzione di irregolarità (disordine) nel cristallo migliora l'assorbimento della luce visibile e infrarossa.
Figura 2. Produzione efficiente e selettiva di CO con diverse nanoparticelle. (a) Il grafico mostra che il TiO . ibrido 2 /WO 3 Le nanoparticelle di -Ag (7BT/W1-A1) sono le migliori nella produzione selettiva di CO pura, senza H 2 e CH 4 prodotti collaterali entro un periodo di sette ore. Questi possono essere confrontati con nanoparticelle fatte di TiO . blu 2 , WO 3 , ibrido TiO 2 /WO 3 (7BT/W1) e TiO . ibrido 2 /Ag (W1-A1). (b) produzione di CO utilizzando diverse nanoparticelle ibride costituite da TiO2/WO3-Ag (linee rosse), TiO 2 /WO 3 (linee verdi) e TiO 2 -solo nanoparticelle (linee blu) entro nove ore. 7BT/W1-A1 con una concentrazione dell'1% di argento ha le migliori prestazioni. Credito:Istituto per le scienze di base
Per la fotosintesi artificiale efficiente per la conversione della CO 2 in ossigeno e CO pura, I ricercatori dell'IBS miravano a migliorare le prestazioni di queste nanoparticelle combinando TiO . blu (Ao/Rd) 2 con altri semiconduttori e metalli che possono aumentare l'ossidazione dell'acqua in ossigeno, in parallelo a CO 2 riduzione in sola CO.
Il team di ricerca ha ottenuto i migliori risultati con nanoparticelle ibride di titanio blu, triossido di tungsteno (WO 3 ), e l'1% di argento (TiO 2 /WO 3 –Ag).
WO 3 è stato scelto per la posizione della banda di valenza bassa con il suo stretto gap di banda di 2,6 eV, elevata stabilità, e basso costo. L'argento è stato aggiunto perché migliora l'assorbimento della luce visibile, creando un'oscillazione collettiva di elettroni liberi eccitati dalla luce, e offre anche un'elevata selettività per la CO.
Le nanoparticelle ibride hanno mostrato prestazioni circa 200 volte superiori rispetto alle nanoparticelle fatte di TiO 2 solo e TiO 2 /WO 3 senza argento.
A partire da acqua e CO 2 , questo nuovo catalizzatore ibrido produceva O2 e CO pura, senza prodotti collaterali, come il gas idrogeno (H2) e il metano (CH4). La resa quantica apparente che è il rapporto tra diversi elettroni reagiti e il numero di fotoni incidenti era del 34,8 percento, e la velocità degli elettroni reagiti 2333,44 µmol g-1h-1. La stessa misurazione era inferiore per le nanoparticelle senza argento (2053,2 µmol g-1h-1), e per le nanoparticelle con solo TiO . blu 2 (912,4 µmol g-1h-1).
