zonlicht oogsten, onderzoekers van het Centre for Integrated Nanostructure Physics, binnen het Instituut voor Basiswetenschappen (IBS, Zuid-Korea) gepubliceerd in Materialen vandaag ("Fase-selectieve zeer efficiënte nanogestructureerde, met metaal versierde hybride halfgeleiders voor zonneconversie van CO ₂ to Absolute CO Selectivity") een nieuwe strategie om koolstofdioxide (CO ₂ ) in zuurstof (O ₂ ) en zuiver koolmonoxide (CO) zonder bijproducten in water. Deze kunstmatige fotosynthesemethode zou nieuwe oplossingen kunnen bieden voor milieuvervuiling en het broeikaseffect.

Terwijl, bij groene planten, fotosynthese lost CO . op ₂ in suikers, de kunstmatige fotosynthese die in dit onderzoek wordt gerapporteerd, kan CO . omzetten ₂ in zuurstof en zuivere CO als output. Dit laatste kan vervolgens worden ingezet voor een breed scala aan toepassingen in de elektronica, halfgeleider, farmaceutisch, en chemische industrieën.

De sleutel is om de juiste krachtige fotokatalysator te vinden om de fotosynthese te laten plaatsvinden door licht te absorberen, converteren CO ₂ , en zorgen voor een efficiënte stroom van elektronen, wat essentieel is voor het hele systeem.

Titaanoxide (TiO ₂ ) is een bekende fotokatalysator. Het heeft al veel aandacht getrokken op het gebied van zonne-energieconversie en milieubescherming vanwege zijn hoge reactiviteit, lage toxiciteit, chemische stabiliteit, en lage kosten.

Terwijl conventionele TiO ₂ kan alleen UV-licht absorberen, het IBS-onderzoeksteam rapporteerde eerder twee verschillende soorten blauwgekleurde TiO ₂ (of "blauwe titania") nanodeeltjes die zichtbaar licht kunnen absorberen dankzij een verminderde bandgap van ongeveer 2,7 eV.

Ze waren gemaakt van geordende anatase/wanorde rutiel (Ao/Rd) TiO ₂ (genaamd, HYL's blauwe TiO ₂ -I) ("Een orde/stoornis/waterverbindingssysteem voor zeer efficiënte co-katalysatorvrije fotokatalytische waterstofgeneratie"), en ongeordende anatase/geordende rutiel (Ao/Rd) TiO ₂ (genaamd, HYL's blauwe TiO ₂ -II) ("Zichtbaar-licht-gedreven, Metaalvrije CO ₂ Vermindering"), waarbij anatase en rutiel verwijzen naar twee kristallijne vormen van TiO ₂ en de introductie van onregelmatigheden (wanorde) in het kristal verbetert de absorptie van zichtbaar en infrarood licht.

Voor de efficiënte kunstmatige fotosynthese voor de omzetting van CO ₂ in zuurstof en zuivere CO, IBS-onderzoekers wilden de prestaties van deze nanodeeltjes verbeteren door blauwe (Ao/Rd) TiO . te combineren ₂ met andere halfgeleiders en metalen die de oxidatie van water tot zuurstof kunnen verbeteren, parallel aan CO ₂ reductie tot alleen CO.

Het onderzoeksteam behaalde de beste resultaten met hybride nanodeeltjes gemaakt van blauw titania, wolfraamtrioxide (WO ₃ ), en 1 procent zilver (TiO ₂ /WO ₃ –Ag).

WO ₃ werd gekozen vanwege de lage valentiebandpositie met zijn smalle bandgap van 2,6 eV, hoge stabiliteit, en lage kosten. Zilver werd toegevoegd omdat het de absorptie van zichtbaar licht verbetert, door een collectieve oscillatie te creëren van vrije elektronen die worden opgewekt door licht, en geeft ook een hoge CO-selectiviteit.

De hybride nanodeeltjes vertoonden ongeveer 200 keer betere prestaties dan nanodeeltjes gemaakt van TiO ₂ alleen en TiO ₂ /WO ₃ zonder zilver.

Uitgaande van water en CO ₂ , deze nieuwe hybride katalysator produceerde O2 en zuivere CO, zonder enige bijproducten, zoals waterstofgas (H2) en methaan (CH4). De schijnbare kwantumopbrengst dat de verhouding is van verschillende gereageerde elektronen tot het aantal invallende fotonen was 34,8 procent, en de snelheid van gereageerde elektronen 2333,44 µmol g-1h-1. Dezelfde meting was lager voor nanodeeltjes zonder zilver (2053,2 µmol g-1h-1), en voor nanodeeltjes met alleen blauwe TiO ₂ (912,4 µmol g-lh-1).