Fotokatalysatoren zijn nuttige materialen, met een groot aantal milieu- en energietoepassingen, inclusief luchtzuivering, water behandeling, zelfreinigende oppervlakken, vervuilingsbestrijdende verven en coatings, waterstofproductie en CO ₂ omschakeling naar duurzame brandstoffen.

Een efficiënte fotokatalysator zet lichtenergie om in chemische energie en levert deze energie aan een reagerende stof, om chemische reacties te helpen ontstaan.

Een van de meest bruikbare materialen is bekend als titaniumoxide of titaniumdioxide, zeer gewild vanwege zijn stabiliteit, effectiviteit als fotokatalysator en niet-toxiciteit voor mensen en andere biologische organismen.

In nieuw onderzoek dat verschijnt in de Journal of Physical Chemistry Letters , Scott Sayres en zijn onderzoeksgroep beschrijven hun onderzoek naar de moleculaire dynamica van titaniaclusters.

Dergelijk onderzoek is een fundamentele stap in de richting van de ontwikkeling van efficiëntere fotokatalysatoren.

De sleutel tot dergelijke vooruitgang is het vermogen om de tijd te verlengen dat elektronen in het materiaal in een aangeslagen toestand blijven bestaan, aangezien deze vluchtige duur is wanneer titania kan fungeren als een efficiënte fotokatalysator.

Het gedrag van een fotokatalysator tot in de kleinste details onderzoeken, echter, is een lastige poging. De clusters zijn een nanometer of minder groot (of 1/100, duizendste van de breedte van een mensenhaar) en de bewegingen van elektronen binnen de bestudeerde moleculen vinden plaats op verbazingwekkend korte tijdschalen, gemeten in femtoseconden (of een miljoenste van een miljardste van een seconde).

De nieuwe studie verkent voor het eerst neutrale (ongeladen) clusters van titania, het volgen van de subtiele bewegingen van energie met behulp van een femtoseconde laser en een techniek die bekend staat als pomp-sonde spectroscopie. "We behandelen onze lasers als camera's, Zegt Sayres. "We maken foto's van waar de energie doorheen de tijd stroomt."

zegt, een onderzoeker in het Biodesign Center for Applied Structural Discovery, beschrijft de betekenis van het huidige onderzoek:

"We hebben de kleinst mogelijke bouwstenen van titania onderzocht om de relatie te begrijpen van hoe kleine veranderingen in de atomaire structuur van het materiaal de levensduur van de aangeslagen toestand en de energiestroom beïnvloeden. Leren over hoe dit gebeurt, kan helpen bij het herontwerpen van betere fotokatalysatoren in de toekomst."