Waterstofperoxide wordt in veel industrieën gebruikt voor verschillende doeleinden, waaronder bleken, rioolwaterzuivering, sterilisatie en zelfs als raketbrandstof. Omdat het bijproduct van waterstofperoxide water is, wordt het geprezen als een 'groene', milieuvriendelijke chemische stof, maar een nadere beschouwing van het productieproces van waterstofperoxide onthult een ingewikkelder verhaal. Problemen zoals de hoeveelheid energie die wordt gebruikt voor het productieproces en de winning van de benodigde chemicaliën hebben dramatische gevolgen voor het milieu. Naarmate de vraag naar waterstofperoxide wereldwijd toeneemt, proberen onderzoekers nieuwe manieren te vinden om waterstofperoxide te produceren die veiliger en beter voor het milieu zijn.

Eerder onderzoek heeft technieken geïdentificeerd die gebruikmaken van fotokatalyse, het gebruik van licht om een ​​chemische reactie te starten, en hete elektronen, dit zijn hoogenergetische elektronen die zijn geladen door zichtbaar en infrarood licht, als alternatieve oplossingen voor de productie van waterstofperoxide. Zowel fotokatalyse als hete elektronen zijn in het verleden gebruikt in groene energie-alternatieven, zoals zonne-energie, maar beperkingen van beide processen hebben verhinderd dat ze worden geïmplementeerd voor de productie van waterstofperoxide.

Om een ​​aantal van deze beperkingen aan te pakken, hebben onderzoekers van de Shanghai Jiao Tong University manieren gevonden om de hete elektronen langer mee te laten gaan, zodat fotokatalyse kan worden gebruikt om waterstofperoxide te produceren in een veiliger, schoner productieproces.

De bevindingen werden op 25 juni gepubliceerd in Nano Research .

Paper auteur Xinhao Li, een professor aan de School of Chemistry and Chemical Engineering aan de Shanghai Jiao Tong University, legde enkele beperkingen uit van het gebruik van hete elektronen bij de productie van waterstofperoxide. "De levensduur van hete elektronen, typisch op een tijdschaal van 0,4 tot 0,3 picoseconde, kon niet goed worden vergeleken met de tijdschaal van typische chemische reacties, inclusief de zuurstofreductiereactie tot waterstofperoxide. Daarom is het aantrekkelijk om te ontwikkelen krachtige methoden om de levensduur van gethermaliseerde hete dragers te verlengen ten opzichte van goedkope fotokatalysatoren voor de productie van waterstofperoxide met alleen water, lucht en zonlicht," zei Li.

De door onderzoekers voorgestelde methode om de energie van de hete elektronen te behouden is eenvoudig. Een heterojunctie - een combinatie van twee verschillende lagen halfgeleiders - van rutiel titaandioxide en grafeen wordt gemaakt om de hete elektronen te oogsten. De eerste onderzoekers onderzochten manieren om snel en efficiënt rutiel-titaandioxide synthetisch te produceren. Het proces van faseoverdracht door middel van een maalmethode duurt 24 uur om anataas-titaandioxide om te zetten in rutiel-titaandioxide, maar onderzoekers hebben dit teruggebracht tot 5 minuten.

De combinatie van rutiel titaandioxide en grafeen vormt een verhoogde Schottky-barrière, die essentieel is voor het verlengen van de levensduur van hete elektronen. Een Schottky-barrière vormt zich tussen een metaal en een halfgeleider en fungeert als een barrière voor elektronen. Omdat de Schottky-barrière tussen rutiel-titaandioxide en grafeen hoog is, vergemakkelijkt het de injectie van hete elektronen en voorkomt het dat de elektronen terugstromen door de barrière. De verhoogde barrière wordt bereikt vanwege de snelle faseoverdracht tussen anataas-titaandioxide en rutiel-titaandioxide. De snelle faseoverdracht en verhoogde barrière zorgen voor een lange fluorescentielevensduur en een betere efficiëntie, waardoor de productie van waterstofperoxide wordt gestimuleerd met zichtbaar en nabij-infrarood licht. Onderzoekers vermoeden dat het grafeen/rutiel-titaandioxide kan worden hergebruikt voor ten minste zes cycli van standaardreacties, waardoor het nog efficiënter wordt voor het produceren van waterstofperoxide.

Wat de toekomst betreft, kijken onderzoekers vooruit naar hoe het proces te vereenvoudigen. "In het vervolgwerk hopen we eenvoudigere strategieën te ontwikkelen om de heterostructuur van fotokatalyse te optimaliseren om het gebruik van fotogegenereerde hete elektronen verder te verbeteren. Dit fotokatalytische systeem, aangedreven door fotogegenereerde hete elektronen op goedkope edelmetaalvrije heterojuncties, vertoont een aanzienlijk potentieel als een nieuw kunstmatig fotosynthesesysteem", zei Li. + Verder verkennen

Hoe gouden nanodeeltjes de opslag van zonne-energie kunnen verbeteren