Aerogels zijn buitengewone materialen die meer dan een dozijn keer Guinness World Records hebben gevestigd, waaronder als 's werelds lichtste vaste stoffen.

Professor Markus Niederberger van het Laboratorium voor Multifunctionele Materialen van de ETH Zürich werkt al geruime tijd met deze bijzondere materialen. Zijn laboratorium is gespecialiseerd in aerogels die zijn samengesteld uit kristallijne halfgeleider nanodeeltjes. "Wij zijn de enige groep ter wereld die dit soort aerogel van zo'n hoge kwaliteit kan produceren", zegt hij.

Een gebruik voor aerogels op basis van nanodeeltjes is als fotokatalysatoren. Deze worden gebruikt wanneer een chemische reactie moet worden geactiveerd of versneld met behulp van zonlicht, bijvoorbeeld de productie van waterstof.

Het materiaal bij uitstek voor fotokatalysatoren is titaandioxide (TiO₂ ), een halfgeleider. Maar TiO₂ heeft een groot nadeel:het kan alleen het UV-gedeelte van zonlicht absorberen - ongeveer 5 procent van het spectrum. Als fotokatalyse efficiënt en industrieel bruikbaar wil zijn, moet de katalysator een breder bereik aan golflengten kunnen gebruiken.

Het spectrum verbreden met stikstofdoping

Daarom zocht Niederbergers promovendus Junggou Kwon naar een nieuwe manier om een ​​aerogel gemaakt van TiO₂ te optimaliseren. nanodeeltjes. En ze had een briljant idee:als de TiO₂ nanodeeltjes aerogel is "gedoteerd" (om de technische term te gebruiken) met stikstof, zodat individuele zuurstofatomen in het materiaal worden vervangen door stikstofatomen, de aerogel kan dan verdere zichtbare delen van het spectrum absorberen. Het dopingproces laat de poreuze structuur van de aerogel intact. De studie over deze methode is onlangs gepubliceerd in het tijdschrift Applied Materials &Interfaces .

Kwon produceerde eerst de aerogel met behulp van TiO₂ nanodeeltjes en kleine hoeveelheden van het edelmetaal palladium, dat een sleutelrol speelt bij de fotokatalytische productie van waterstof. Ze plaatste de aerogel vervolgens in een reactor en doordrenkte deze met ammoniakgas. Hierdoor nestelden individuele stikstofatomen zich in de kristalstructuur van de TiO₂ nanodeeltjes.

Gemodificeerde aerogel maakt reactie efficiënter

Om te testen of een op deze manier gemodificeerde aerogel de efficiëntie van een gewenste chemische reactie, in dit geval de productie van waterstof uit methanol en water, daadwerkelijk verhoogt, ontwikkelde Kwon een speciale reactor waarin ze de aerogelmonoliet direct plaatste. Vervolgens bracht ze een damp van water en methanol in de aerogel in de reactor voordat ze deze bestraalde met twee LED-lampen. The gaseous mixture diffuses through the aerogel's pores, where it is converted into the desired hydrogen on the surface of the TiO₂ and palladium nanoparticles.

Kwon stopped the experiment after five days, but up to that point, the reaction was stable and proceeded continuously in the test system. "The process would probably have been stable for longer," Niederberger says. "Especially with regard to industrial applications, it's important for it to be stable for as long as possible." The researchers were satisfied with the reaction's results as well. Adding the noble metal palladium significantly increased the conversion efficiency:using aerogels with palladium produced up to 70 times more hydrogen than using those without.

Increasing the gas flow

This experiment served the researchers primarily as a feasibility study. As a new class of photocatalysts, aerogels offer an exceptional three-dimensional structure and offer potential for many other interesting gas-phase reactions in addition to hydrogen production. Compared to the electrolysis commonly used today, photocatalysts have the advantage that they could be used to produce hydrogen using only light rather than electricity.

Whether the aerogel developed by Niederberger's group will ever be used on a large scale is still uncertain. For example, there is still a question of how to accelerate the gas flow through the aerogel; at the moment, the extremely small pores hinder the gas flow too much. "To operate such a system on an industrial scale, we first have to increase the gas flow and also improve the irradiation of the aerogels," Niederberger says. He and his group are already working on these issues.

Aerogels are exceptional materials. They are extremely light and porous, and boast a huge surface area:one gram of the material can have a surface area of up to 1,200 square meters. Due to their transparency, aerogels have the appearance of "frozen smoke." They are excellent thermal insulators and so are used in aerospace applications and, increasingly, in the thermal insulation of buildings as well. However, their manufacture still requires a huge amount of energy, so the materials are expensive. The first aerogel was produced from silica by the chemist Samuel Kistler in 1931. + Verder verkennen

Novel strategy to fabricate 3D-MXene-based electrocatalyst for nitrogen reduction to ammonia