Desvendando o papel crucial dos cocatalisadores metálicos na fotocatálise para produção de hidrogênio

São PauloPesquisadores liderados por Toshiki Sugimoto utilizaram espectroscopia FT-IR operando com um interferômetro de Michelson para observar o comportamento dos fotocatalisadores durante a produção de hidrogênio. Eles descobriram que os elétrons presos nas bordas dos cocatalisadores desempenham um papel crucial no processo, ao contrário dos elétrons livres nas partes metálicas dos cocatalisadores. Esta descoberta desafia as suposições anteriores sobre o funcionamento da fotocatálise.

Desde que os cientistas descobriram a evolução fotoeletroquímica do hidrogênio em 1972, eles vêm estudando a fotocatálise heterogênea. Para desenvolver melhores catalisadores para a produção de hidrogênio, é crucial entender as espécies reativas de elétrons e os sítios ativos durante as reações de redução fotocatalítica. No entanto, detectar e isolar sinais desses elétrons reativos fotoexcitados é uma tarefa desafiadora. Fortes sinais de fundo de elétrons não reativos, que são excitados pelo calor, frequentemente ocultam os sinais mais fracos dos elétrons reativos.

Pesquisadores do Instituto de Ciência Molecular e da SOKENDAI alcançaram um avanço importante. Ao sincronizar o tempo das reações excitadas pela luz em fotocatalisadores usando um interferômetro de Michelson, eles puderam ignorar os sinais dos elétrons que não reagiam. Isso permitiu que vissem claramente os elétrons que estavam ajudando a produzir hidrogênio.

Principais descobertas incluem:

• Os cocatalisadores metálicos não funcionam como reservatórios para elétrons fotogerados reativos.
• Os elétrons livres nos cocatalisadores metálicos não participam diretamente da reação de redução.
• Os estados de superfície do semicondutor induzidos pelos metais, especialmente nas bordas, são essenciais para a evolução fotocatalítica do hidrogênio.

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Isso muda nossa compreensão sobre o papel dos cocatalisadores de metal na fotocatálise e oferece uma nova maneira de projetar interfaces metal/óxido para a produção de hidrogênio sem necessidade de calor. Os benefícios potenciais são consideráveis. Isso pode levar a um melhor design de catalisadores que utilizem a recém-reconhecida importância dos estados de intermediário e de superfície. Além disso, esse novo método de espectroscopia infravermelha, aplicado durante as reações, poderia ser utilizado em outros sistemas alimentados por luz ou eletricidade.

Pesquisas recentes em fotocatálise destacam agora a importância das propriedades de superfície e das estruturas eletrônicas locais, em vez de analisar apenas as propriedades gerais dos materiais. Os estados induzidos por metais próximos à superfície de semicondutores podem influenciar significativamente a ocorrência e a eficiência das reações. Essa abordagem detalhada pode ajudar a criar catalisadores mais precisos e eficazes para a energia sustentável.

A utilização da espectroscopia FT-IR sincronizada pode revolucionar nosso método de estudo e compreensão dos diversos processos catalíticos. Isso pode ajudar a identificar fatores que melhoram o desempenho dos catalisadores, contribuindo para a criação de soluções energéticas ecologicamente corretas para o futuro.

As descobertas ressaltam um avanço em direção a um controle mais preciso e detalhado das superfícies de catalisadores. Esse progresso aproxima a ciência de tornar o hidrogênio uma fonte de energia útil e ecologicamente correta.