Metano (CH4 ) e anidride carbonica (CO2 ) sono i due principali gas serra che causano il riscaldamento globale. La tecnologia di dry reforming del metano (DRM) può utilizzare contemporaneamente due gas serra per produrre idrogeno (H2 ) e monossido di carbonio (CO), il che significa che il DRM è una delle strategie ideali per ridurre l'effetto serra.
Tuttavia, CH4 e CO2 hanno un'elevata stabilità termodinamica, quindi il processo DRM termico convenzionale richiede sempre un'elevata energia termica per attivare CH4 e CO2 . Lo sviluppo della tecnologia fotocatalitica offre maggiori opportunità per avviare reazioni DRM in condizioni blande.
Tuttavia, a causa della rapida ricombinazione dei portatori di carica fotoeccitati, l’efficienza fotocatalitica è ancora insoddisfacente. È stato riportato che la costruzione di campi elettrici incorporati nei fotocatalizzatori è una strategia affidabile per migliorare la dinamica del trasferimento di carica. Pertanto, si prevede che la progettazione di fotocatalizzatori con campi elettrici interni per controllare il comportamento del trasferimento di carica possa affrontare la sfida di cui sopra.
Recentemente, i gruppi di ricerca guidati dal Prof. Huimin Liu della Liaoning University of Technology, Cina, e dal Dr. Jordi García-Antón dell'Universitat Autònoma de Barcelona (UAB) hanno riportato un articolo di revisione, introducendo i recenti progressi del campo elettrico integrato -reforming fotocatalitico assistito a secco del metano. Questa recensione è stata pubblicata nel Chinese Journal of Catalysis .
Questo articolo introduce innanzitutto il meccanismo di reazione fondamentale del DRM e i tradizionali catalizzatori termici per il DRM. Successivamente, sono stati riassunti i vantaggi e i potenziali materiali fotocatalitici per l'applicazione DRM fotocatalitica (PDRM), concentrandosi su tre tipi di fotocatalizzatori con campi elettrici incorporati:
(1) Fotocatalizzatori basati su materiali ferroelettrici, che generano campi elettrici incorporati mediante polarizzazione spontanea permanente da effetti ferroelettrici.
(2) Fotocatalizzatori con strutture di eterogiunzione, che innescano un campo elettrico interno sull'eterointerfaccia. A causa della struttura del gap sfalsato nelle eterogiunzioni di tipo II, sull'interfaccia si forma un campo elettrico interno, risultando in processi di ossidazione e riduzione separati su diverse superfici del semiconduttore. Inoltre, l'eterogiunzione dello schema Z può mantenere portatori di carica con elevata capacità redox attraverso un campo elettrico di interfaccia per ricombinare cariche con bassa capacità redox. Pertanto, l'efficienza del PDRM potrebbe essere migliorata da diverse strutture di eterogiunzione.
(3) Fotocatalizzatori con campi termoelettrici incorporati generati dalla risonanza plasmonica superficiale locale (LSPR). Le nanoparticelle metalliche sono candidati adatti per accelerare il trasferimento di carica e attivare i reagenti attraverso la risonanza, portando a strutture elettroniche discontinue nei metalli che creano campi elettrici locali tra le nanoparticelle metalliche e la luce visibile nel vicino infrarosso (Vis-NIR).
Diversi studi hanno dimostrato che l'attività e la selettività di un prodotto specifico sono aumentate dalla fotocatalisi assistita da plasmoni, il che evidenzia il grande potenziale dell'LSPR per migliorare l'efficienza fotocatalitica (o fototermico-catalitica). Oltre ai fotocatalizzatori di cui sopra, lo sviluppo della tecnologia PDRM porta a ulteriori requisiti per comprendere il meccanismo di reazione o chiarire il ruolo di componenti specifici nei fotocatalizzatori.
Pertanto, questa revisione introduce anche una tecnologia avanzata di caratterizzazione in situ e calcoli teorici, fornendo conoscenze di base ai giovani ricercatori impegnati in questo campo nelle fasi iniziali.
Nonostante siano stati compiuti molti sforzi nell’area PDRM, esistono ancora alcune sfide da superare. Sulla base dei risultati della ricerca esistente, infine, questa revisione riassume le principali sfide e propone strategie fattibili, incoraggiando indagini più approfondite in questo campo in futuro.
Ulteriori informazioni: Yiming Lei et al, Recenti progressi nel reforming a secco fotocatalitico del metano assistito da campo elettrico, Chinese Journal of Catalysis (2023). DOI:10.1016/S1872-2067(23)64520-6
Fornito dall'Accademia cinese delle scienze
