Om klimaatverandering tegen te gaan, een verschuiving van fossiele brandstoffen naar schone en duurzame energiebronnen is noodzakelijk. Een populaire kandidaat in dit opzicht is waterstof, een milieuvriendelijke brandstof die bij gebruik alleen water produceert. Echter, de efficiënte methoden van waterstofproductie zijn meestal niet milieuvriendelijk. Het milieuvriendelijke alternatief van het splitsen van water met zonlicht om waterstof te produceren is inefficiënt en lijdt aan een lage stabiliteit van de fotokatalysator (materiaal dat chemische reacties vergemakkelijkt door licht te absorberen). Hoe pak je het probleem van het ontwikkelen van een stabiele en efficiënte fotokatalysator aan?

In een recent gepubliceerd onderzoek in Toegepaste Katalyse B:Milieu , een internationale groep wetenschappers, onder leiding van assistent-professor Yeonho Kim van de Incheon National University in Korea, ging in op deze vraag en rapporteerde over de prestaties van met polydopamine (PDA) gecoate zinksulfide (ZnS) nanostaafjes als fotokatalysator, die een toename van de waterstofproductie met 220% liet zien in vergelijking met alleen ZnS-katalysator! Bovendien, het vertoonde behoorlijke stabiliteit, behoudt bijna 79% van zijn activiteit na 24 uur te zijn bestraald. Dr. Kim schetst de motivatie achter hun onderzoek, "ZnS heeft verschillende fotochemische toepassingen omdat het onder zonlicht snel elektrische ladingsdragers kan genereren. zonlicht veroorzaakt ook oxidatie van sulfide-ionen, wat leidt tot fotocorrosie van ZnS. Onlangs, studies toonden aan dat PDA-coatings met gecontroleerde dikte op een fotokatalysator de conversie-efficiëntie voor zonne-energie kunnen verbeteren en de fotostabiliteit kunnen verbeteren. Maar, tot dusver, geen enkele studie heeft de fysisch-chemische veranderingen op het grensvlak van ZnS/PDA aangepakt. Daarom, we wilden het effect van PDA-binding op de fotokatalytische prestaties van ZnS bestuderen."

De wetenschappers fabriceerden de PDA-gecoate ZnS-nanokatalysatoren door middel van polymerisatie om dopamine op ZnS-nanostaafjes te coaten, en varieerde de polymerisatieperiode om monsters te maken van drie verschillende PDA-diktes:1,2 nm (ZnS/PDA1), 2,1 nm (ZnS/PDA2), en 3,5 nm (ZnS/PDA3). Vervolgens maten ze de fotokatalytische prestaties van deze monsters door hun waterstofproductie te volgen onder gesimuleerd zonlicht.

De ZnS/PDA1-katalysator vertoonde de hoogste waterstofproductiesnelheid, gevolgd door ZnS/PDA2, ongecoat ZnS, en ZnS/PDA3. Het team schreef de inferieure prestaties van ZnS/PDA2 en ZnS/PDA3 toe aan meer lichtabsorptie door de dikkere PDA-coatings, die het licht dat ZnS bereikte verminderde en de aangeslagen ladingsdragers belemmerde om het oppervlak te bereiken; ongecoat ZnS, integendeel, fotocorrosie ondergaan.

Om de rol van elektronische structuur in de waargenomen verbetering te begrijpen, de wetenschappers maten emissie- en uitstervingsspectra van de monsters samen met berekeningen van de dichtheidsfunctionaaltheorie. De eerste onthulde dat de verhoogde absorptie te wijten was aan de vorming van Zn-O- of O-Zn-S-schillen op ZnS en het creëren van energieniveaus nabij de valentieband (hoogste atomaire niveau gevuld met elektronen) die "gaten" kunnen accepteren (afwezigheid van elektronen), terwijl uit de berekeningen bleek dat ZnS/PDA een unieke "dubbel verspringende" elektronische structuur heeft die het transport en de scheiding van ladingsdragers aan het oppervlak vergemakkelijkt. De verbeterde duurzaamheid was te danken aan de verminderde oxidatieve capaciteit van gaten in de valentietoestanden van PDA.

Dr. Kim en zijn team hopen op bredere toepassingen van hun techniek. "De polydopaminecoating die in ons werk wordt gebruikt, is ook van toepassing op andere groepen selenide, boride, en op telluride gebaseerde katalysatoren, " merkt Dr. Kim op.

De toekomst zou inderdaad waterstof kunnen zijn.