Een nieuwe katalysator zou enorme milieuvoordelen kunnen opleveren als hij zijn potentieel kan waarmaken, suggereert onderzoek uit Singapore. A*STAR-onderzoekers hebben een katalysator gemaakt met antennes van goud-nanodeeltjes die de waterkwaliteit bij daglicht kunnen verbeteren en ook waterstof kunnen genereren als groene energiebron.

Deze waterzuiveringstechnologie is ontwikkeld door He-Kuan Luo, Andy Hor en collega's van het A*STAR Institute of Materials Research and Engineering (IMRE). "Elke innovatieve en goedaardige technologie die organische verontreinigende stoffen uit water kan verwijderen of vernietigen onder omgevingsomstandigheden is zeer welkom, " legt Hor uit, die uitvoerend directeur is van de IMRE en ook verbonden is aan de National University of Singapore.

Fotokatalytische materialen benutten zonlicht om elektrische ladingen te creëren, die de energie leveren die nodig is om chemische reacties aan te drijven in moleculen die aan het oppervlak van de katalysator zijn bevestigd. Naast het afbreken van schadelijke moleculen in water, fotokatalysatoren worden gebruikt om water te splitsen in de componenten zuurstof en waterstof; waterstof kan dan worden ingezet als groene energiebron.

Hor en zijn team wilden een bestaande katalysator verbeteren. Op zuurstof gebaseerde verbindingen zoals strontiumtitanaat (SrTiO3) zien er veelbelovend uit, omdat het robuuste en stabiele materialen zijn en geschikt zijn voor gebruik in water. Een van de innovaties van het team was om de katalytische activiteit te verbeteren door kleine hoeveelheden van het metaal lanthaan toe te voegen, die zorgt voor extra bruikbare elektrische ladingen.

Katalysatoren moeten ook voldoende zonlicht opvangen om chemische reacties te katalyseren. Dus om de fotokatalysator in staat te stellen meer licht te oogsten, de wetenschappers bevestigden gouden nanodeeltjes aan de met lanthaan gedoteerde SrTiO3-microsferen (zie afbeelding). Deze gouden nanodeeltjes zijn verrijkt met elektronen en fungeren daarom als antennes, licht concentreren om de katalytische reactie te versnellen.

De poreuze structuur van de microsferen resulteert in een groot oppervlak, omdat het meer bindingsruimte biedt voor organische moleculen om aan te koppelen. Een enkele gram van het materiaal heeft een oppervlakte van ongeveer 100 vierkante meter. "Het grote oppervlak speelt een cruciale rol bij het bereiken van een goede fotokatalytische activiteit, " zegt Luo.

Om de efficiëntie van deze katalysatoren aan te tonen, de onderzoekers bestudeerden hoe ze de kleurstof rhodamine B in water afbraken. Binnen vier uur na blootstelling aan zichtbaar licht was 92 procent van de kleurstof verdwenen, wat veel sneller is dan conventionele katalysatoren zonder gouden nanodeeltjes.

Deze microdeeltjes kunnen ook worden gebruikt voor het splitsen van water, zegt Luo. Het team toonde aan dat de microdeeltjes met gouden nanodeeltjes beter presteerden in watersplitsingsexperimenten dan die zonder, om de veelzijdigheid en effectiviteit van deze microsferen verder te benadrukken.