纳米科学:照亮最佳光催化方式!

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发布时间:18-12-1110:50

纳米科学:照亮最佳光催化方式!

一天下午,卡内基梅隆大学材料科学与工程系(MSE)的穆罕默德·伊斯兰(Mohammad Islam)走进同事保罗·萨尔瓦多(Paul Salvador)的办公室,询问他希望能够解决的光催化问题最大的问题。萨尔瓦多的回答:他想确定如何将光催化中的氧化和还原反应分成不同的通道以提高性能。

甲光催化剂,其使用能量从光来加速反应,典型地促进两个反应:氧化反应和还原反应。它们用于产生氢气,修复环境生物污损,并可能用于杀死耐药细菌。

“我们正在制造开放式碳纳米管,”MSE的研究教授伊斯兰回应道,“那么我们如何将光催化剂放在外面,将催化剂放在每个纳米管内部呢?”

MSE教授萨尔瓦多表示,他认为这是一个优雅的解决方案 - 但它有可能吗?

因此成立了一个团队,包括伊斯兰教,萨尔瓦多,MSE教授和系主任Greg Rohrer,博士。学生Hang-Ah Park,硕士生Siyuan Liu和前博士后Youngseok Oh(现任韩国材料科学研究院资深科学家)。最近,该团队发表了一篇关于他们优化光催化剂的新方法的论文。像许多卡内基梅隆研究项目一样,该项目始于一个只能通过协作解决的问题。

挑战:光催化剂需要廉价,高效和环保。尽管目前的光催化剂可能很便宜,但它们要么具有高毒性,要么表现不佳。

在光催化剂中,需要优化氧化反应和还原反应,这些反应之间的空间也是如此。通常,擅长进行一种反应(例如氧化)的光催化剂具有添加到其中的助催化剂,其有利于进行相反的反应(还原)。尽管这有助于优化,但反应并未完全分离,因此,诸如氢和氧的产物在相同的空间中产生。

“想象一下,你已经知道一个微米大小的球体,它具有良好的氧化性能,你可以在其上添加小型助催化剂半球,这种球体已知具有良好的还原性(通常为10纳米),”Rohrer说。“即使反应在技术上是分开的,它们仍然发生在非常接近的位置,这会降低光催化剂的性能。因此,我们将它们置于完全不同的通道中。”

使他们的工作新颖的不是通道的完全分离,这在标准光电化学电池(PEC)中是众所周知的,但他们将PEC降低到纳米级,开发了那些纳米级PEC的大规模平行阵列,并保持完全分离。

“这是一个非常简单的想法,”萨尔瓦多说。“我们中的许多人使用传统的PEC在高中或大学进行了实验室实验,将产品分成两个大型烧杯。我们从化学实验室拿走了那个巨大的PEC并将其归结为纳米级,然后我们制造了数千个这样的PEC在这个过程中,我们发现了一些有趣的新的基本材料行为,包括在可见光下的高活动性,并且看到了具有许多应用的惊人性能。

光催化剂的一个重要应用是修复环境生物污染,或从管道等表面去除藤壶和藻类等生物。另一个应用是杀死耐药细菌。例如,许多医院使用装有二氧化钛的涂料并用紫外线照射以对墙壁或其他表面进行消毒。但是使用新的光催化方法,它们可以使用更安全的可见光。最后,在氢气生成过程中,它们的光催化剂抑制了产物气体的混合,这是一项重要的进步。

“现在的问题是,为什么它做得好多了?”伊斯兰教说。“当我用碳纳米管和钛做这个时,为什么它在可见光下会变成光活性?我们可以调整哪些参数来使它变得更好?这就是我们要走的方向。”

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