Figura 1. Diagrama de energia proposto que representa o mecanismo de transferência de elétrons no TiO 2 / WO 3 Nanopartículas híbridas -Ag. Este chamado esquema Z mostra o fluxo de partículas carregadas (elétrons, e- e orifícios, , h +) através dos diferentes componentes das nanopartículas. TiO Azul 2 e OS 3 e- pode ocupar menor (banda de valência, VB) e superior (banda condutiva, CB) níveis de energia. Os fótons da luz solar (trovões) fornecem a energia para o e- saltar do VB para o CB (setas pretas apontando para cima), deixando h + para trás. TiO 2 a banda inferior de está próxima, um pouco abaixo do nível de banda superior de WO3, então e- da banda alta de WO3 pode migrar para o VB de TiO azul 2 para prender seus buracos. Após a separação, o animado e- jump do CB do TiO 2 em nanopartículas de prata permitindo a conversão de CO 2 em CO, enquanto o h + fotogerado no WO 3 local oxidar água (H 2 O) para formar oxigênio (O 2 ) Crédito:Institute for Basic Science
Coletando luz solar, pesquisadores do Centro de Física Nanoestruturada Integrada, dentro do Institute for Basic Science (IBS, Coreia do Sul) publicado em Materiais Hoje ("Semicondutores híbridos nanoestruturados decorados com metal de alta eficiência seletiva de fase para conversão solar de CO 2 à Seletividade Absoluta de CO ") uma nova estratégia para transformar o dióxido de carbono (CO 2 ) em oxigênio (O 2 ) e monóxido de carbono puro (CO) sem produtos colaterais na água. Este método de fotossíntese artificial pode trazer novas soluções para a poluição ambiental e o aquecimento global.
Enquanto, em plantas verdes, fotossíntese corrige CO 2 em açúcares, a fotossíntese artificial relatada neste estudo pode converter CO 2 em oxigênio e CO puro como saída. Este último pode então ser empregado para uma ampla gama de aplicações em eletrônica, semicondutor, farmacêutico, e indústrias químicas.
A chave é encontrar o fotocatalisador de alto desempenho certo para ajudar a fotossíntese ocorrer por meio da absorção de luz, converter CO 2 , e garantindo um fluxo eficiente de elétrons, que é essencial para todo o sistema.
Óxido de titânio (TiO 2 ) é um fotocatalisador bem conhecido. Já atraiu atenção significativa nas áreas de conversão de energia solar e proteção ambiental devido à sua alta reatividade, baixa toxicidade, estabilidade química, e baixo custo.
Embora TiO convencional 2 pode absorver apenas a luz ultravioleta, a equipe de pesquisa do IBS relatou anteriormente dois tipos diferentes de TiO de cor azul 2 (ou "titânia azul") nanopartículas que podem absorver luz visível graças a um bandgap reduzido de cerca de 2,7 eV.
Eles foram feitos de TiO anatase / rutilo desordenado (Ao / Rd) ordenado 2 (chamado, HYL's blue TiO 2 -I) ("Um sistema de junção de ordem / desordem / água para geração de hidrogênio fotocatalítico livre de cocatalisador altamente eficiente"), e anatase desordenado / rutilo ordenado (Ao / Rd) TiO 2 (chamado, HYL's blue TiO 2 -II) ("Orientado por luz visível, CO livre de metal 2 Redução"), onde anatase e rutilo se referem a duas formas cristalinas de TiO 2 e a introdução de irregularidades (desordem) no cristal aumenta a absorção da luz visível e infravermelha.
Figura 2. Produção eficiente e seletiva de CO com diferentes nanopartículas. (a) O gráfico mostra que TiO híbrido 2 / WO 3 Nanopartículas -Ag (7BT / W1-A1) são as melhores na produção seletiva de CO puro, sem H 2 e CH 4 produtos secundários em um período de sete horas. Estes podem ser comparados com nanopartículas feitas de TiO azul 2 , OS 3 , TiO híbrido 2 / WO 3 (7BT / W1) e TiO híbrido 2 / Ag (W1-A1). (b) produção de CO usando diferentes nanopartículas híbridas feitas de TiO2 / WO3-Ag (linhas vermelhas), TiO 2 / WO 3 (linhas verdes) e TiO 2 - apenas nanopartículas (linhas azuis) dentro de nove horas. 7BT / W1-A1 com uma concentração de 1 por cento de prata tem o melhor desempenho. Crédito:Institute for Basic Science
Para a fotossíntese artificial eficiente para a conversão de CO 2 em oxigênio e CO puro, Os pesquisadores do IBS tiveram como objetivo melhorar o desempenho dessas nanopartículas combinando TiO azul (Ao / Rd) 2 com outros semicondutores e metais que podem aumentar a oxidação da água em oxigênio, em paralelo ao CO 2 redução em CO apenas.
A equipe de pesquisa obteve os melhores resultados com nanopartículas híbridas feitas de titânia azul, trióxido de tungstênio (WO 3 ), e 1 por cento de prata (TiO 2 / WO 3 –Ag).
OS 3 foi escolhido devido à posição da banda de baixa valência com seu estreito bandgap de 2,6 eV, alta estabilidade, e baixo custo. A prata foi adicionada porque aumenta a absorção de luz visível, criando uma oscilação coletiva de elétrons livres excitados pela luz, e também dá alta seletividade de CO.
As nanopartículas híbridas apresentaram desempenho cerca de 200 vezes maior do que as nanopartículas feitas de TiO 2 sozinho e TiO 2 / WO 3 sem prata.
Partindo de água e CO 2 , este novo catalisador híbrido produziu O2 e CO puro, sem quaisquer produtos colaterais, tais como gás hidrogênio (H2) e metano (CH4). O rendimento quântico aparente que é a razão de vários elétrons reagidos para o número de fótons incidentes foi de 34,8 por cento, e a taxa de elétrons reagidos 2333,44 µmol g-1h-1. A mesma medição foi menor para nanopartículas sem prata (2053,2 µmol g-1h-1), e para nanopartículas com apenas TiO azul 2 (912,4 µmol g-1h-1).
