Новый тип видимого

28 августа 2023 г.

Эта статья была проверена в соответствии с редакционным процессом и политикой Science X. Редакторы выделили следующие атрибуты, гарантируя при этом достоверность контента:

проверенный фактами

корректура

Университетом Йоханнесбурга

Исследователи из Йоханнесбургского университета разработали новый тип фотокатализатора, который использует видимую часть спектра солнечного света. В настоящее время экономичные и экологически чистые фотокатализаторы «используют» только УФ-спектр солнечного света — например, широко используемый диоксид титана и другие близкие эквиваленты.

Исследование опубликовано в журнале Journal of Science: Advanced Materials and Devices.

Фотокатализатор является первым трехкомпонентным фотокатализатором с такими специфическими фотокаталитическими свойствами. Он почти на 90% состоит из экономичных готовых ингредиентов и достаточно прост, чтобы производить его в больших масштабах в лабораториях с ограниченными ресурсами.

В других исследованиях был описан фотокатализатор, содержащий благородный металл палладий (Pd), который также «использует» видимый спектр солнечного света.

Напротив, фотокатализатор в этом исследовании использует небольшие количества карбида переходного металла, ниобия, для приготовления третьего компонента, наноматериала, известного как MXene.

Карбид ниобия MXene использовался в широком спектре фотокаталитических приложений, таких как производство водорода и преобразование углекислого газа в ценные продукты.

В форме порошка фотокатализатор также чрезвычайно стабилен при высоких температурах, влажности и химических изменениях.

Сокращение потребления энергии в крупных промышленных процессах может оказаться непростой задачей. Но что, если большая часть потребляемой электроэнергии может быть «захвачена» Солнцем?

Фотокатализаторы могут «включаться» под действием солнечного света и других форм света. Затем они могут на порядки облегчить химические процессы. Эти катализаторы обладают потенциалом для использования в различных отраслях производства энергии и детоксикации окружающей среды.

Но есть одна загвоздка. В настоящее время высокоэффективные фотокатализаторы имеют тенденцию быть очень дорогими. Тоже сложно и даже опасно делать.

Основным компонентом стоимости фотокатализаторов могут быть такие металлы, как платина, палладий или золото. Использование металлов в фотокатализаторах нежелательно и с экологической точки зрения.

Еще одна загвоздка заключается в том, что большинство современных фотокатализаторов имеют тенденцию «включаться» в основном под воздействием ультрафиолетового излучения, которое составляет лишь 5% энергии солнечного света, достигающей поверхности Земли.

Между тем, видимый свет составляет 45% доступной солнечной световой энергии, а ближний инфракрасный — оставшиеся 50%.

Фотокатализатор, который исследователи разработали и протестировали, использует около трети спектра видимого света, говорит профессор Лангелихле (Нсика) Дламини. Дламини — научный сотрудник факультета химических наук Университета штата Джорджия.

Чтобы выразить это цифрами, ультрафиолетовый спектр (УФ) имеет более короткие волны (высокая энергия) в диапазоне от 200 до 400 нанометров. Видимый солнечный свет имеет более длинные волны (низкую энергию) от 400 до 700 нанометров.

Фиолетово-сине-голубо-зеленая часть видимого солнечного света рядом с ультрафиолетовым светом — это то, на что реагирует фотокатализатор исследователей из Университета штата Нью-Йорк. Эта низкоэнергетическая часть видимого света также «включает» фотокатализатор для инициирования химических реакций.

«Фотокатализатор возбуждается и имеет низкую скорость нежелательной рекомбинации электронов и дырок в диапазоне длин волн от 420 до 520 нанометров. Это связано с уникальной структурной конструкцией интегрированных материалов», — говорит Дламини.

«Это означает, что фотокатализатор должен быть способен реагировать на дополнительные 15% доступной солнечной энергии для инициирования химических процессов, в зависимости от его эффективности», — говорит он.