Eccellenti prestazioni fotocatalitiche potrebbero essere realizzate con reazioni redox selettive accelerate attraverso un consumo bilanciato di portatori di carica. Credito:Nano ricerca
Il processo di scissione dell'acqua fotocatalitico attira gli scienziati come soluzione ai problemi energetici e ambientali. In questo processo, l'acqua viene scissa in ossigeno e idrogeno utilizzando l'energia luminosa e un catalizzatore. Con l'aumento del problema del riscaldamento globale, i ricercatori hanno considerato l'idrogeno, un combustibile a combustione pulita, come una soluzione di energia rinnovabile. Dato che l'acqua è una risorsa così economica, negli ultimi decenni sono stati dedicati enormi sforzi a questo promettente campo di ricerca. Ma gli scienziati sono stati in grado di scoprire solo alcuni fotocatalizzatori con un'elevata efficienza e un'eccellente stabilità. Quindi la tecnologia di scissione dell'acqua fotocatalitica ha ancora molta strada da fare prima che sia possibile un'applicazione pratica.
Un gruppo di ricerca dell'Università Xi'an Jiaotong in Cina ha ottenuto risultati promettenti utilizzando un composto inorganico chiamato vanadato di bismuto (BiVO4 ) cristalli come fotocatalizzatore per ottenere un'efficiente scissione fotocatalitica dell'acqua. Il loro lavoro mostra la stretta relazione tra le proprietà della superficie del BiVO4 e l'attività fotocatalitica raggiunta. I risultati del team sono pubblicati sulla rivista Nano Research .
Affinché il processo di scissione dell'acqua sia efficiente, è essenziale la separazione della coppia elettrone-lacuna e il loro consumo per ossidazione dell'acqua o reazioni di riduzione dell'acqua che hanno luogo sulla superficie. L'elettrone-buco è un portatore di carica responsabile della creazione di corrente elettrica nei materiali semiconduttori. Portatore di carica si riferisce a una particella che si muove liberamente all'interno di un materiale e trasporta una carica elettrica.
Negli ultimi anni, gli scienziati hanno ottenuto prestazioni eccellenti esponendo sfaccettature specifiche come siti di reazione arricchiti sui fotocatalizzatori. I ricercatori hanno scoperto che il biossido di titanio e il titanato di stronzio, con le loro sfaccettature esposte, offrono prestazioni eccellenti. Questa conoscenza ha fornito agli scienziati indizi sul fatto che un processo fotocatalitico efficiente potrebbe essere ottenuto sintonizzando la superficie di un fotocatalizzatore con diverse funzioni.
In ulteriori ricerche, gli scienziati hanno riferito che BiVO4 i nanosheet con sfaccettature esposte hanno mostrato prestazioni eccellenti per l'ossidazione dell'acqua. La ricerca ha suggerito che se il BiVO4 le sfaccettature sono state ingrandite, è stato possibile ottenere un'attività fotocatalitica superiore per l'ossidazione dell'acqua.
Il team di ricerca dell'Università di Xi'an Jiaotong ha concentrato la propria attenzione su BiVO4 come fotocatalizzatore modello. Hanno studiato il ruolo cruciale del consumo di portatori di carica superficiale sulle reazioni di scissione dell'acqua. Il team ha fabbricato BiVO4 cristalli singoli con un rapporto personalizzato di sfaccettature per i siti riduttivi e per i siti ossidativi. Hanno usato un semplice metodo idrotermale controllato per sintetizzare il BiVO4 cristallo. Attraverso questo processo, hanno dimostrato che un'efficiente ossidazione dell'acqua fotocatalitica può essere ottenuta attraverso un consumo bilanciato di portatori di carica superficiale basato su un rapporto medio tra i siti riduttivi e i siti ossidativi.
Utilizzando BiVO4 da solo come un tipico fotocatalizzatore per l'ossidazione dell'acqua non raggiunge la scissione complessiva dell'acqua. Quindi i ricercatori hanno continuato il loro studio, costruendo un sistema Z-scheme, in cui sono combinati due diversi fotocatalizzatori. Utilizzando il BiVO4 con opportuni cocatalizzatori, il team ha ottenuto una scissione fotocatalitica complessiva dell'acqua efficiente e stabile.
"L'ossidazione dell'acqua fotocatalitica superiore è ottenuta da BiVO4 decaedri con un rapporto medio tra siti riduttivi e ossidativi, che è attribuito al consumo di portatori di carica superficiale bilanciato raggiunto", ha affermato Shaohua Shen, professore presso l'International Research Center for Renewable Energy presso l'Università di Xi'an Jiaotong. "In Inoltre, la scissione dell'acqua complessiva fotocatalitica efficiente e stabile si ottiene adottando il BiVO4 sintetizzato decaedri con un'adeguata modifica del cocatalizzatore", ha affermato Shen.
"Guardando al futuro, questo lavoro fornisce sia una guida sulla fabbricazione di nano/micromateriale con morfologia superficiale controllabile sia indagini approfondite sulla corrispondente reazione redox fotocatalitica", ha affermato Shen. + Esplora ulteriormente
