Onderzoekers bundelen hun krachten om de katalytische toepassingen van halfgeleiders verder te onderzoeken

Credit: Internationale editie van Angewandte Chemie (2022). DOI: 10.1002/anie.202207975

In de wetenschap, ongeacht het vakgebied, kruist expertise elkaar vaak. Bij het Institut National de la Recherche Scientifique (INRS) geldt dit vooral voor veel studiegebieden waar faculteitsleden samenwerken om de grenzen van een specifiek vakgebied zo veel verder te verleggen. En dat geldt evenzeer voor een team onder leiding van professor Andreas Ruediger, dat specialisten met verschillende achtergronden heeft samengebracht. Samen bestudeerde het team een ​​katalytisch probleem en verbeterde onze kennis van katalytische toepassingen.

“Het onderwerp vroeg om expertise in verschillende disciplines, waaronder natuurkunde, scheikunde en materiaalkunde. We hadden het geluk een team te hebben dat al die expertise samenbracht.” Andreas Ruediger, professor aan het Énergie Matériaux Télécommunications Research Centre.

Het onderzoeksteam kwam met een onverwachte ontdekking.

In een hogere versnelling schakelen

Het werk van het team was gebaseerd op milieuoverwegingen, energieprestaties en natuurlijk materiaalkosten. De kern van het project: energie, in het bijzonder energie ter ondersteuning van katalyse, een essentieel onderdeel van ons dagelijks leven. De verschillende vormen van energie die we gebruiken, waaronder zonne-energie, gebruiken katalytische metalen om chemische reacties te versnellen en betere prestaties te bereiken. Kunnen goedkopere en minder zeldzame oxide-nanomaterialen nieuwe kansen bieden in katalyse? Wat als ze ook een kleine ecologische voetafdruk en solide resultaten zouden opleveren?

Katalytische processen zijn een integraal onderdeel van de huidige energiesector en van eventuele toekomstige energievooruitzichten. Tegenwoordig zijn ze betrokken bij de productie van de meeste basisbehoeften (bijvoorbeeld textielvezels en elektronische apparaten). Simpel gezegd, katalyse maakt het mogelijk om een ​​reactie in de gewenste richting te sturen. Het vermindert ook de hoeveelheid energie die nodig is om een ​​snellere reactie te produceren. De katalysator is de stof die de snelheid van een chemische reactie verhoogt. Katalyse, een secundaire speler, stuurt de benodigde energie in de juiste richting, met de juiste snelheid.

Verbetering van de procesefficiëntie

Het verbeteren van de efficiëntie van katalytische processen levert nu al oplossingen op om de energievraag te verlagen. Het breekt ook verontreinigende stoffen af ​​die in het milieu worden uitgestoten. Daarnaast worden nieuwe processen, mede gebaseerd op nanotechnologieën, ingezet om fysische en chemische eigenschappen aan elkaar te koppelen.

“Ons werk zou kunnen leiden tot een grotere efficiëntie bij de conversie en het gebruik van hernieuwbare energiebronnen, met name zonne-energie”, zegt Andreas Ruediger

Ifeanyichukwu Amaechi, Azza Hadj Youssef, Andreas Dörfler, Yoandris González, Rajesh Katoch en Andreas Ruediger, alle onderzoekers bij INRS, hebben bijzondere aandacht besteed aan het onderscheid tussen de rol van gratis en gebonden ladingen binnen bepaalde foto- en piëzokatalysatoren. Dit is cruciaal om de bijdragen aan de katalytische reactie te ontwarren, wat leidt tot de algehele verbetering van de katalytische prestaties op gebieden zoals afvalwaterzuivering en uiteindelijk waterfractionering.

Niet-centrosymmetrische perovskietoxiden vertonen het volume fotovoltaïsch effect en piëzo-elektriciteit, terwijl de extra aanwezigheid van een polaire as pyro- en mogelijk ferro-elektriciteit genereert.

Van sommige eigenschappen van de katalysator was al bekend dat ze foto-elektrische en fotochemische reacties verbeteren.

“De lage dragermobiliteit van deze materialen zou hun toepasbaarheid bij ladingstransport tijdens katalyse belemmeren”, zegt Ifeanyichukwu Amaechi, een postdoctoraal onderzoeker bij INRS.

De groep ontdekte dat gebonden ladingsdragers, waarvan eerder werd gedacht dat ze een verwaarloosbare rol speelden, aanzienlijk konden bijdragen aan de algehele katalytische prestaties. “Dit werk is een goed voorbeeld van het belang in de materiaalkunde om oog te hebben voor de complexiteit van processen en te overwegen onder welke omstandigheden zelfs kleine effecten significant kunnen worden”, concludeert Amaechi, hoofdauteur van het artikel gepubliceerd in Internationale editie van Angewandte Chemie. Deze ontdekking biedt een groot potentieel voor toekomstige verbeteringen, die het team van professor Ruediger graag wil onderzoeken.