23 februari 2021 (Nanowerk Nieuws) Om klimaatverandering tegen te gaan, is het noodzakelijk om over te schakelen van fossiele brandstoffen naar schone en duurzame energiebronnen. Een populaire kandidaat in dit verband is waterstof, een milieuvriendelijke brandstof die bij gebruik alleen water produceert. De efficiënte methoden voor waterstofproductie zijn echter meestal niet milieuvriendelijk. Het milieuvriendelijke alternatief om water te splitsen met zonlicht om waterstof te produceren is inefficiënt en lijdt aan een lage stabiliteit van de fotokatalysator (materiaal dat chemische reacties mogelijk maakt door licht te absorberen). Hoe pak je het probleem van het ontwikkelen van een stabiele en efficiënte fotokatalysator aan? In een studie die onlangs is gepubliceerd in Toegepaste katalyse B: milieu ("Efficiënte fotokatalytische productie van waterstof door gebruik te maken van de polydopamine-halfgeleiderinterface"), een internationale groep wetenschappers, geleid door assistent-professor Yeonho Kim van Incheon National University in Korea, deze vraag aan en rapporteerde over de prestaties van polydopamine (PDA) -gecoate zinksulfide (ZnS) nanostaafjes als fotokatalysator, die een toename vertoonden bij waterstofproductie met 220% vergeleken met alleen ZnS-katalysator. Bovendien vertoonde het een behoorlijke stabiliteit en behield het bijna 79% van zijn activiteit na 24 uur bestraling. Dr. Kim schetst de motivatie achter hun onderzoek: “ZnS heeft verschillende fotochemische toepassingen omdat het onder zonlicht snel elektrische ladingsdragers kan genereren. Zonlicht veroorzaakt echter ook oxidatie van sulfide-ionen, wat leidt tot fotocorrosie van ZnS. Onlangs hebben studies aangetoond dat PDA-coatings met gecontroleerde dikte op een fotokatalysator de conversie-efficiëntie voor zonne-energie kunnen verbeteren en de fotostabiliteit kunnen verbeteren. Maar tot dusverre heeft geen enkele studie de fysisch-chemische veranderingen op het grensvlak van ZnS / PDA aangepakt. Daarom wilden we het effect van PDA-binding op de fotokatalytische prestatie van ZnS onderzoeken. " De wetenschappers vervaardigden de PDA-gecoate ZnS-nanokatalysatoren door middel van polymerisatie om dopamine op ZnS-nanostaafjes te coaten, en varieerden de polymerisatieperiode om monsters te maken met drie verschillende PDA-diktes: 1.2 nm (ZnS / PDA1), 2.1 nm (ZnS / PDA2) en 3.5 nm (ZnS / PDA3). Vervolgens maten ze de fotokatalytische prestaties van deze monsters door hun waterstofproductie te volgen onder gesimuleerde zonlichtverlichting. De ZnS / PDA1-katalysator vertoonde de hoogste waterstofproductiesnelheid, gevolgd door ZnS / PDA2, ongecoate ZnS en ZnS / PDA3. Het team schreef de inferieure prestaties van ZnS / PDA2 en ZnS / PDA3 toe aan meer lichtabsorptie door de dikkere PDA-coatings, waardoor het licht dat ZnS bereikte verminderde en de aangeslagen ladingsdragers het oppervlak niet bereikten; Ongecoat ZnS daarentegen onderging fotocorrosie. Om de rol van elektronische structuur in de waargenomen verbetering te begrijpen, maten de wetenschappers emissie- en extinctiespectra van de monsters samen met berekeningen van de dichtheidsfunctionaaltheorie. De eerste onthulde dat de verbeterde absorptie te wijten was aan de vorming van Zn-O- of O-Zn-S-schalen op ZnS en het creëren van energieniveaus nabij de valentieband (hoogste atoomniveau gevuld met elektronen) die 'gaten' kunnen opnemen (afwezigheid van elektronen), terwijl uit de berekeningen bleek dat ZnS / PDA een unieke "dubbel gestaggerde" elektronische structuur heeft die het transport en de scheiding van ladingsdragers aan het oppervlak vergemakkelijkt. De verbeterde duurzaamheid was te danken aan de verminderde oxidatieve capaciteit van gaten in de valentie-toestanden van PDA. Dr. Kim en zijn team hopen op bredere toepassingen van hun techniek. "De polydopaminecoating die in ons werk wordt gebruikt, is ook van toepassing op andere groepen op selenide, boride en telluride gebaseerde katalysatoren", zegt Dr. Kim.

Bron: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=57364.php