Kleine gouddeeltjes kunnen helpen energie van de zon te benutten om vervuiling af te breken

Wanneer organische verontreinigende stoffen zoals kleurstoffen, landbouwchemicaliën en farmaceutische producten overal ter wereld in waterwegen terechtkomen, kunnen ze het milieu en de menselijke gezondheid schaden – en het kan ongelooflijk moeilijk zijn om ze te verwijderen.

Fotokatalysatoren – stoffen die energie uit licht absorberen en gebruiken om de snelheid van een chemische reactie te versnellen – kunnen organische verontreinigende stoffen afbreken in een proces dat mineralisatie wordt genoemd en ze omzetten in water, koolstofdioxide en andere onschadelijke moleculen. Maar er zit een addertje onder het gras: de meeste fotokatalysatoren hebben UV-licht nodig om te werken, waardoor ze onpraktisch en duur zijn om op grote schaal te gebruiken.

Om dat probleem op te lossen, hebben onderzoekers hun zinnen gezet op het vinden van een fotokatalysator die veel meer van het zonnespectrum kan benutten. “Als je zonlicht kunt gebruiken, is het goedkoper en veel beter beschikbaar dan UV-licht”, zegt Magnus Rønning, hoogleraar katalyse aan de afdeling Chemische Technologie, NTNU.

Gouden nanodeeltjes sleutel

Schijven van nanoformaat gemaakt van het mineraal bismutiet zijn een veelbelovende fotokatalysator en onderzoekers hebben ontdekt dat het toevoegen van gouden nanodeeltjes aan hun oppervlak hun gevoeligheid voor het zichtbare deel van het zonnespectrum verhoogt. Hoewel er verschillende manieren zijn om die gouden nanodeeltjes op een oppervlak te deponeren, geven de meeste methoden beperkte controle over de grootte en vorm van de deeltjes waarmee je eindigt.

“Vaak krijg je een verdeling van maten en vormen [that] je kunt het niet echt controleren, dus je hebt een mix van staven en bollen en kubussen”, zegt Rønning.

Nu hebben Rønning en collega’s van NTNU een manier gevonden om gouden nanodeeltjes te maken met een uniforme grootte en vorm op het oppervlak van de bismutiet nanodisks. Hun onderzoek, onlangs gepubliceerd in het tijdschrift Fotochemische en fotobiologische wetenschappenopent de mogelijkheid om het effect van zowel de grootte als de vorm van de nanodeeltjes op de prestaties van de katalysator te bestuderen, waardoor het op zijn beurt mogelijk wordt om zijn lichtoogstcapaciteit te maximaliseren.

Testen van verschillend gevormde nanodeeltjes

De onderzoekers gebruikten kleine goudzaden als nucleatieplaatsen waarop ze gouden nanodeeltjes in verschillende vormen lieten groeien – staven, geëtste staven met geruwde oppervlakken en bollen – door de concentratie en pH van de oplossing waarin de deeltjes groeiden aan te passen.

Deze nanodeeltjes hebben een oppervlakteactieve laag op hun oppervlak, waardoor de kans kleiner wordt dat ze samenklonteren voordat ze worden afgezet op de bismutiet nanoschijven.

“Hiermee kunnen we redelijk goede controle houden over de grootte en vorm van deze deeltjes”, zegt Rønning. De monsters werden bereid en gekarakteriseerd door Ph.D. kandidaat Jibin Antony in het NanoLab van NTNU, waarbij de katalytische reacties zelf worden uitgevoerd in de labs van de Catalysis Group van de faculteit Scheikundige Technologie.

De onderzoekers testten hoe goed de resulterende fotokatalysator een organische verontreinigende stof, bekend als methyleenblauw, kon afbreken. Methyleenblauw is niet alleen een wijdverbreide organische verontreiniging op zich, maar is ook een nuttige testcase voor hoe goed een fotokatalysator zal werken op andere verontreinigende stoffen.

“Het is vrij representatief als organische verontreiniging, maar het is ook een relatief complex molecuul”, zegt Rønning. “Als het werkt op methyleenblauw, zou het ook goed moeten werken op andere organische stoffen.”

Het andere voordeel van het gebruik van methyleenblauw is dat de ontbinding ervan al goed wordt begrepen, waardoor de onderzoekers niet alleen kunnen onderzoeken hoeveel methyleenblauw er aan het einde van het proces overblijft, maar ook waarin het is omgezet.

Hoewel dat niet iets is waar Rønning en collega’s naar keken in hun werk aan gouden nanodeeltjes, zagen de onderzoekers in een gerelateerd artikel dat het toevoegen van silica aan bismutiet nanodisks de afbraakproducten van methyleenblauw veranderde. “Uiteindelijk wil je volledige mineralisatie en niet alleen omzetting in iets dat net zo gevaarlijk of ongewenst is als methyleenblauw”, zegt Rønning.

Staven beter dan bollen

Rønning en zijn collega’s ontdekten dat de fotokatalysator met staafvormige gouden nanodeeltjes 14% beter presteerde dan die met bolletjes. Maar er is nog ruimte voor verbetering. “Zelfs na drie uur reactie heb je nog wat van de verontreiniging over”, zegt Rønning. “Dus ja, het werkt. Maar we hebben nog steeds iets nodig dat beter werkt.”

Sommige fotokatalysatoren worden al commercieel gebruikt in afvalwaterbehandelings- en luchtzuiveringssystemen. De technologie is ook veelbelovend voor het splitsen van waterstof: het produceren van goedkope waterstofbrandstof met alleen water en zonlicht. Om dat mogelijk te maken, moeten onderzoekers echter een manier vinden om de katalysatoren veel effectiever te maken dan ze nu zijn.

De belangrijkste verbetering die nodig is voor betere fotokatalysatoren, hangt af van het aantal fotonen dat daadwerkelijk wordt gebruikt om de reactie aan te drijven. “In goede gevallen is het misschien 1%”, zegt Rønning. “Als we dit tot bijvoorbeeld 10% kunnen krijgen, komt het veel dichter bij praktische toepassingen.”

Hoewel het onwaarschijnlijk is dat het veranderen van de grootte en vorm van gouden nanodeeltjes zo’n enorme toename in efficiëntie zal opleveren, is het een begin. “We moeten de katalysator verbeteren om dit commercieel levensvatbaar te maken”, zegt Rønning. “Dit is een stap in die richting.”