Temperatuurschommelingen omzetten in schone energie met nieuwe nanodeeltjes en verwarmingsstrategie

Pyro-elektrische katalyse (pyrokatalyse) kan schommelingen in de omgevingstemperatuur omzetten in schone chemische energie, zoals waterstof. In vergelijking met de meer gebruikelijke katalysestrategie, zoals fotokatalyse, is pyrokatalyse echter inefficiënt vanwege de langzame temperatuurveranderingen in de omgeving.

Onlangs heeft een team onder leiding van onderzoekers van de City University of Hong Kong (CityU) een aanzienlijk snellere en efficiëntere pyrokatalytische reactie op gang gebracht met behulp van gelokaliseerde plasmonische warmtebronnen om het pyrokatalytische materiaal snel en efficiënt op te warmen en af ​​te laten koelen. omlaag. De bevindingen openen nieuwe wegen voor efficiënte katalyse voor biologische toepassingen, de behandeling van verontreinigende stoffen en de productie van schone energie.

Pyrokatalyse verwijst naar de katalyse die wordt veroorzaakt door oppervlakteladingen in pyro-elektrische materialen veroorzaakt door temperatuurschommelingen. Het is een groene, zelfaangedreven katalysetechniek die thermische afvalenergie uit de omgeving haalt. Het heeft steeds meer aandacht gekregen voor de productie van schone energie en het genereren van reactieve zuurstofsoorten, die verder kunnen worden gebruikt voor desinfectie en kleurstofbehandeling.

De meeste momenteel verkrijgbare pyro-elektrische materialen zijn echter niet efficiënt als de omgevingstemperatuur in de loop van de tijd niet veel verandert. Aangezien de veranderingssnelheid van de omgevingstemperatuur vaak beperkt is, is een meer haalbare manier om de pyrokatalytische efficiëntie te verhogen het aantal temperatuurcycli te verhogen. Maar het is een grote uitdaging om binnen een kort tijdsinterval meerdere thermische cycli in de pyrokatalysator te bereiken met behulp van conventionele verwarmingsmethoden.

Uitdaging van meerdere thermische cycli

Een onderzoeksteam onder leiding van Dr. Lei Dangyuan, universitair hoofddocent bij de afdeling Materials Science and Engineering (MSE) van CityU, heeft onlangs dit obstakel overwonnen met behulp van een nieuwe strategie waarbij pyro-elektrische materialen en het gelokaliseerde thermo-plasmonische effect van edelmetaal worden gecombineerd nanomaterialen.

De plasmonische nanostructuren, die de collectieve oscillatie van vrije elektronen ondersteunen, kunnen licht absorberen en snel omzetten in warmte. De grootte op nanoschaal maakt snelle maar effectieve temperatuurveranderingen mogelijk binnen een beperkt volume, zonder noemenswaardig warmteverlies naar de omgeving. Bijgevolg kan de gelokaliseerde warmte die wordt gegenereerd door de thermo-plasmonische nanostructuren gemakkelijk worden verfijnd en in- of uitgeschakeld door externe lichtbestraling binnen een ultrakort tijdsinterval.

In hun experimenten selecteerde het team een ​​typisch pyrokatalytisch materiaal, genaamd bariumtitanaat (BaTiO₃) nanodeeltjes. De koraalachtige BaTiO₃ nanodeeltjes zijn versierd met gouden nanodeeltjes als plasmonische warmtebronnen; de gouden nanodeeltjes kunnen de fotonen rechtstreeks van een gepulseerde laser omzetten in warmte. De resultaten van het experiment toonden aan dat gouden nanodeeltjes fungeren als een snelle, dynamische en controleerbare lokale warmtebron zonder de omgevingstemperatuur te verhogen, wat de algehele pyrokatalytische reactiesnelheid van BaTiO prominent en efficiënt verhoogt.₃ nanodeeltjes.

Gouden nanodeeltjes als lokale warmtebron

Door deze strategie bereikte het team een ​​hoge productiesnelheid van pyrokatalytische waterstof, waardoor de ontwikkeling van praktische toepassingen van pyrokatalyse werd versneld. De plasmonische pyro-elektrische nanoreactoren vertoonden een versnelde pyrokatalytische waterstofproductiesnelheid van ongeveer 133,1 ± 4,4 µmol·g^-1·h^-1 door middel van thermo-plasmonische lokale verwarming en afkoeling onder bestraling van een nanoseconde laser met een golflengte van 532 nm.

Bovendien was de herhalingssnelheid van de nanoseconde-laser die in het experiment werd gebruikt 10 Hz, wat betekende dat 10 lichtpulsen per seconde op de katalysator werden gestraald om 10 verwarmings- en koelcycli te bereiken. Dit houdt in dat door de herhalingsfrequentie van de laserpuls te verhogen, de pyro-elektrische katalytische prestaties in de toekomst kunnen worden verbeterd.

Het onderzoeksteam is van mening dat hun experimentresultaten een nieuwe benadering hebben geboden voor het verbeteren van pyrokatalyse door een innovatief pyro-elektrisch composietsysteem te ontwerpen met andere fotothermische materialen. Deze substantiële vooruitgang zal de toekomstige toepassing van pyrokatalyse bij de behandeling van verontreinigende stoffen en de productie van schone energie haalbaarder maken.

De bevindingen werden gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie onder de titel “Versnelde pyrokatalytische waterstofproductie mogelijk gemaakt door plasmonische lokale verwarming van Au op pyro-elektrisch BaTiO₃ nanodeeltjes.”