Figura 1. Diagrama de energía propuesto que representa el mecanismo de transferencia de electrones en TiO 2 / WO 3 -Nanopartículas híbridas de Ag. Este llamado esquema Z muestra el flujo de partículas cargadas (electrones, e- y agujeros, , h +) a través de los diferentes componentes de las nanopartículas. TiO azul 2 y WO 3 's e- puede ocupar la parte inferior (banda de valencia, VB) y superior (banda conductora, CB) niveles de energía. Los fotones de la luz solar (truenos) proporcionan la energía para que el e- salte desde el VB al CB (flechas negras apuntando hacia arriba), dejando h + atrás. TiO 2 la banda inferior está cerca, un poco más bajo que el nivel de banda más alto de WO3, por lo que e- de la banda alta de WO3 puede migrar al VB de TiO azul 2 para atrapar sus agujeros. Después de la separación, el e-jump emocionado del CB de TiO 2 en nanopartículas de plata que permiten la conversión de CO 2 en CO, mientras que la fotogenerada h + en el WO 3 sitio oxida el agua (H 2 O) para formar oxígeno (O 2 ). Crédito:Instituto de Ciencias Básicas
Cosechando la luz del sol, investigadores del Centro de Física Integrada de Nanoestructuras, dentro del Instituto de Ciencias Básicas (IBS, Corea del Sur) publicado en Materiales hoy ("Semiconductores híbridos decorados con metal nanoestructurados altamente eficientes y selectivos de fase para la conversión solar de CO 2 a la selectividad absoluta de CO ") una nueva estrategia para transformar el dióxido de carbono (CO 2 ) en oxígeno (O 2 ) y monóxido de carbono puro (CO) sin subproductos en agua. Este método de fotosíntesis artificial podría aportar nuevas soluciones a la contaminación ambiental y al calentamiento global.
Tiempo, en plantas verdes, la fotosíntesis fija el CO 2 en azúcares, la fotosíntesis artificial reportada en este estudio puede convertir CO 2 en oxígeno y CO puro como salida. Este último puede emplearse para una amplia gama de aplicaciones en electrónica, semiconductor, farmacéutico, e industrias químicas.
La clave es encontrar el fotocatalizador de alto rendimiento adecuado para ayudar a que la fotosíntesis tenga lugar al absorber la luz. convertir CO 2 , y asegurar un flujo eficiente de electrones, que es esencial para todo el sistema.
Óxido de titanio (TiO 2 ) es un fotocatalizador muy conocido. Ya ha atraído una atención significativa en los campos de la conversión de energía solar y la protección del medio ambiente debido a su alta reactividad. baja toxicidad, estabilidad química, y bajo costo.
Mientras que el TiO convencional 2 puede absorber solo luz ultravioleta, el equipo de investigación del IBS informó anteriormente dos tipos diferentes de TiO de color azul 2 (o "titania azul") nanopartículas que podrían absorber la luz visible gracias a una banda prohibida reducida de aproximadamente 2,7 eV.
Estaban hechos de anatasa ordenada / rutilo desordenado (Ao / Rd) TiO 2 (llamado, TiO azul de HYL 2 -I) ("Un sistema de unión de orden / desorden / agua para la generación de hidrógeno fotocatalítico libre de cocatalizadores altamente eficiente"), y anatasa desordenada / rutilo ordenado (Ao / Rd) TiO 2 (llamado, TiO azul de HYL 2 -II) ("Impulsado por luz visible, CO libre de metales 2 Reducción"), donde anatasa y rutilo se refieren a dos formas cristalinas de TiO 2 y la introducción de irregularidades (desorden) en el cristal mejora la absorción de luz visible e infrarroja.
Figura 2. Producción eficiente y selectiva de CO con diferentes nanopartículas. (a) El gráfico muestra que el TiO híbrido 2 / WO 3 -Las nanopartículas de Ag (7BT / W1-A1) son las mejores en la producción selectiva de CO puro, sin H 2 y CH 4 productos secundarios en un plazo de siete horas. Estos se pueden comparar con nanopartículas hechas de TiO azul. 2 , WO 3 , TiO híbrido 2 / WO 3 (7BT / W1) y TiO híbrido 2 / Ag (W1-A1). (b) producción de CO utilizando diferentes nanopartículas híbridas hechas de TiO2 / WO3-Ag (líneas rojas), TiO 2 / WO 3 (líneas verdes) y TiO 2 -sólo nanopartículas (líneas azules) en nueve horas. 7BT / W1-A1 con una concentración del 1 por ciento de plata tiene el mejor rendimiento. Crédito:Instituto de Ciencias Básicas
Para la fotosíntesis artificial eficiente para la conversión de CO 2 en oxígeno y CO puro, Los investigadores del IBS tenían como objetivo mejorar el rendimiento de estas nanopartículas combinando TiO azul (Ao / Rd) 2 con otros semiconductores y metales que pueden mejorar la oxidación del agua a oxígeno, en paralelo a CO 2 reducción en CO solamente.
El equipo de investigación obtuvo los mejores resultados con nanopartículas híbridas de titania azul, trióxido de tungsteno (WO 3 ), y 1 por ciento de plata (TiO 2 / WO 3 –Ag).
WO 3 fue elegido debido a la posición de la banda de valencia baja con su banda prohibida estrecha de 2.6 eV, alta estabilidad, y bajo costo. Se agregó plata porque mejora la absorción de luz visible, creando una oscilación colectiva de electrones libres excitados por la luz, y también proporciona una alta selectividad al CO.
Las nanopartículas híbridas mostraron un rendimiento aproximadamente 200 veces mayor que las nanopartículas hechas de TiO 2 solo y TiO 2 / WO 3 sin plata.
A partir de agua y CO 2 , este nuevo catalizador híbrido produjo O2 y CO puro, sin productos secundarios, tales como gas hidrógeno (H2) y metano (CH4). El rendimiento cuántico aparente, que es la relación entre varios electrones que reaccionaron y el número de fotones incidentes, fue del 34,8 por ciento. y la velocidad de reacción de los electrones 2333,44 µmol g-1h-1. La misma medida fue menor para las nanopartículas sin plata (2053,2 µmol g-1h-1), y para nanopartículas con solo TiO azul 2 (912,4 µmol g-1h-1).
