Een middag, Mohammad Islam van de Carnegie Mellon University Materials Science and Engineering (MSE) liep het kantoor van collega Paul Salvador binnen en vroeg wat het grootste probleem in fotokatalyse was dat hij zou willen oplossen. Salvador's antwoord:hij zou graag willen bepalen hoe de oxidatie- en reductiereacties in fotokatalyse kunnen worden gescheiden in verschillende kanalen om de prestaties te verbeteren.

Een fotokatalysator, die energie van licht gebruikt om een ​​reactie te versnellen, faciliteert typisch twee reacties:een oxidatiereactie en een reductiereactie. Ze worden gebruikt bij het genereren van waterstof, bij het saneren van biofouling in het milieu, en mogelijk voor het doden van resistente bacteriën.

"We maken open koolstofnanobuisjes, " antwoordde de islam, onderzoekshoogleraar MSE, "Dus wat als we de fotokatalysator aan de buitenkant en de co-katalysator aan de binnenkant van elke nanobuis plaatsen?"

Salvator, hoogleraar MSE, zei dat hij dat een elegante oplossing vond - maar was het mogelijk?

Zo werd een team gevormd met inbegrip van de islam, Salvator, en MSE-hoogleraar en afdelingshoofd Greg Rohrer, met Ph.D. student Hang-Ah Park, masterstudent Siyuan Liu, en voormalig postdoc Youngseok Oh (momenteel senior wetenschapper aan het Korea Institute of Materials Science). Onlangs, het team publiceerde een paper over hun nieuwe benadering voor het optimaliseren van fotokatalysatoren. Zoals veel onderzoeksprojecten van Carnegie Mellon, het project begon met een probleem dat alleen door samenwerking kon worden opgelost.

De uitdaging:fotokatalysatoren moeten goedkoop zijn, efficiënt, en milieuvriendelijk. Hoewel de huidige fotokatalysatoren misschien goedkoop zijn, ze hebben een hoge toxiciteit of presteren niet goed.

In een fotokatalysator, zowel de oxidatiereactie als de reductiereactie moeten worden geoptimaliseerd, evenals de ruimte tussen deze reacties. Typisch, aan een fotokatalysator die goed is in het uitvoeren van één type reactie (zoals oxidatie) is een co-katalysator toegevoegd die goed is in het uitvoeren van de tegenovergestelde reactie (reductie). Hoewel dit helpt bij de optimalisatie, de reacties zijn niet helemaal gescheiden, en daarom, producten zoals waterstof en zuurstof worden in dezelfde ruimte gegenereerd.

"Stel je voor dat je een bol ter grootte van een micrometer hebt waarvan bekend is dat hij goed is in oxidatie, en je voegt er kleine co-katalysator-hemisferen aan toe waarvan bekend is dat ze goed zijn in reductie (meestal 10 nanometer), " zegt Rohrer. "Hoewel de reacties technisch gescheiden zijn, ze komen nog steeds in de buurt voor, waardoor de prestaties van de fotokatalysator afnemen. Dus, we zetten ze in totaal andere kanalen."

Wat hun werk nieuw maakt, is niet de volledige scheiding van de kanalen, die algemeen bekend is in standaard foto-elektrochemische cellen (PEC's), maar dat ze een PEC naar de nanoschaal hebben gebracht, ontwikkelde massaal parallelle arrays van die PEC's op nanoschaal, en handhaafde volledige scheiding.

"Het is een heel eenvoudig idee, ", zegt Salvador. "Velen van ons hebben laboratoriumexperimenten gedaan op de middelbare school of universiteit met behulp van traditionele PEC's, die producten scheiden in twee grote bekers. We hebben die enorme PEC uit het scheikundelab gehaald en naar de nanoschaal gebracht, en toen hebben we er duizenden gemaakt die parallel werken. In dat proces, we hebben een aantal interessante nieuwe fundamentele materialen gevonden, inclusief hoge activiteit in zichtbaar licht, en zag een fenomenale prestatie die veel toepassingen heeft."

Een grote toepassing van fotokatalysatoren is het saneren van biofouling in het milieu, of het verwijderen van organismen zoals zeepokken en algen van oppervlakken zoals pijpen. Een andere toepassing is het doden van resistente bacteriën. veel ziekenhuizen, bijvoorbeeld, gebruik verven geladen met titania en bestraald met UV-licht om muren of andere oppervlakken te desinfecteren. Maar met de nieuwe fotokatalytische methode, ze kunnen zichtbaar licht gebruiken, wat veel veiliger is. Eindelijk, tijdens de waterstofproductie onderdrukken hun fotokatalysatoren de vermenging van productgassen, een belangrijke vooruitgang.

"De vraag is nu, waarom doet het het veel beter?", zegt Islam. "Waarom is het fotoactief geworden in het zichtbare licht als ik dit doe met koolstof nanobuisjes en titanium? Wat zijn de parameters die we kunnen aanpassen om het beter te maken? Dat is de richting die we op gaan."