Methaan (CH₄ ) en kooldioxide (CO₂ ) zijn de twee belangrijkste broeikasgassen die de opwarming van de aarde veroorzaken. Droge reforming van methaan (DRM)-technologie kan tegelijkertijd twee broeikasgassen gebruiken om waterstof te produceren (H₂ ) en koolmonoxide (CO), wat betekent dat DRM een van de ideale strategieën is om het broeikaseffect te verminderen.

Echter, CH₄ en CO₂ hebben een hoge thermodynamische stabiliteit, dus het conventionele thermische DRM-proces vereist altijd een hoge thermische energie om CH₄ te activeren en CO₂ . De ontwikkeling van fotokatalytische technologie biedt meer mogelijkheden voor het initiëren van DRM-reacties onder milde omstandigheden.

Vanwege de snelle recombinatie van foto-geëxciteerde ladingsdragers is de fotokatalytische efficiëntie echter nog steeds onbevredigend. Er is gerapporteerd dat de constructie van ingebouwde elektrische velden in fotokatalysatoren een betrouwbare strategie is om de dynamiek van ladingsoverdracht te verbeteren. Daarom wordt verwacht dat het ontwerpen van fotokatalysatoren met interne elektrische velden om het ladingsoverdrachtsgedrag te controleren de bovenstaande uitdaging aankan.

Onlangs rapporteerden de onderzoeksteams onder leiding van prof. Huimin Liu van de Liaoning University of Technology, China, en dr. Jordi García-Antón van de Universitat Autònoma de Barcelona (UAB) een overzichtsartikel, waarin de recente ontwikkelingen op het gebied van ingebouwde elektrische velden werden geïntroduceerd. -geassisteerde fotokatalytische droge reforming van methaan. Deze recensie is gepubliceerd in Chinese Journal of Catalysis .

Dit artikel introduceert eerst het fundamentele reactiemechanisme van DRM en traditionele thermische katalysatoren voor DRM. Vervolgens werden de voordelen en potentiële fotokatalytische materialen voor fotokatalytische DRM (PDRM)-toepassing samengevat, waarbij de nadruk lag op drie soorten fotokatalysatoren met ingebouwde elektrische velden:

(1) Op ferro-elektrische materialen gebaseerde fotokatalysatoren, die ingebouwde elektrische velden genereren door permanente spontane polarisatie door ferro-elektrische effecten.

(2) Fotokatalysatoren met heterojunctiestructuren, die een intern elektrisch veld op het heterogrensvlak veroorzaken. Vanwege de gespreide spleetstructuur in type II heterojuncties wordt een intern elektrisch veld gevormd op het grensvlak, wat resulteert in de gescheiden oxidatie- en reductieprocessen over verschillende halfgeleideroppervlakken. Bovendien kan de heterojunctie van het Z-schema ladingsdragers met een hoge redox in stand houden via een elektrisch interfaceveld om ladingen met een laag redoxvermogen te recombineren. De PDRM-efficiëntie zou dus kunnen worden verbeterd door verschillende heterojunctiestructuren.

(3) Fotokatalysatoren met ingebouwde thermo-elektrische velden gegenereerd door lokale oppervlakteplasmonresonantie (LSPR). Metalen nanodeeltjes zijn geschikte kandidaten voor het versnellen van de ladingsoverdracht en het activeren van reactanten door middel van resonantie, wat leidt tot discontinue elektronische structuren in metalen die lokale elektrische velden creëren tussen de metalen nanodeeltjes en zichtbaar nabij-infrarood (Vis-NIR) licht.

Verschillende onderzoeken hebben aangetoond dat de activiteit en selectiviteit van een specifiek product worden verhoogd door plasmon-ondersteunde fotokatalyse, wat het grote potentieel van LSPR voor het verbeteren van de fotokatalytische (of fotothermisch-katalytische) efficiëntie benadrukt. Naast de bovengenoemde fotokatalysatoren leidt de ontwikkeling van PDRM-technologie tot meer eisen voor het begrijpen van het reactiemechanisme of het ophelderen van de rol van specifieke componenten in fotokatalysatoren.

Daarom introduceert deze review ook geavanceerde in-situ karakteriseringstechnologie en theoretische berekeningen, waardoor basiskennis wordt geboden aan jonge onderzoekers die zich in een vroeg stadium op dit gebied bezighouden.

Hoewel er op het gebied van PDRM veel inspanningen zijn geleverd, zijn er nog steeds enkele uitdagingen die moeten worden overwonnen. Op basis van bestaande onderzoeksresultaten vat dit overzicht ten slotte de belangrijkste uitdagingen samen en worden haalbare strategieën voorgesteld, waardoor in de toekomst diepgaander onderzoek op dit gebied wordt aangemoedigd.

Meer informatie: Yiming Lei et al., Recente ontwikkelingen in de ingebouwde, door elektrische velden ondersteunde fotokatalytische droge reforming van methaan, Chinese Journal of Catalysis (2023). DOI:10.1016/S1872-2067(23)64520-6

Aangeboden door de Chinese Academie van Wetenschappen