Avslöja den verkliga funktionen hos metalkokatalysatorer i fotokatalys: fångade elektroner är avgörande.

StockholmForskare under ledning av Toshiki Sugimoto använde operando FT-IR-spektroskopi med en Michelson-interferometer för att studera hur fotokatalysatorer beter sig under vätgasproduktion. De upptäckte att elektroner som är fångade runt kanterna av kokatalysatorerna spelar en central roll i processen, snarare än fria elektroner i metallkomponenterna av kokatalysatorerna. Denna upptäckt utmanar tidigare antaganden om hur fotokatalys fungerar.

Sedan forskare för första gången upptäckte fotoelektrokemisk vätgasutveckling 1972, har de studerat heterogen fotokatalys. För att utveckla bättre katalysatorer för vätgasproduktion är det viktigt att förstå reaktiva elektrontyper och aktiva platser under fotokatalytiska reduktionsreaktioner. Men det är svårt att upptäcka och isolera signaler från dessa fotoexciterade reaktiva elektroner. Starka bakgrundssignaler från icke-reaktiva elektroner, som exciteras av värme, döljer ofta de svagare signalerna från de reaktiva elektronerna.

Forskare vid Institutet för molekylär vetenskap och SOKENDAI har gjort ett stort genombrott. Genom att synkronisera fotokatalysatorernas ljusaktiverade reaktioner med en Michelson-interferometer kunde de bortse från signaler från elektroner som inte reagerade. Detta gjorde det möjligt för dem att tydligt se de elektroner som bidrog till att producera väte.

Viktiga slutsatser innefattar:

• Metallkatalysatorer fungerar inte som platser för att samla de fotogenererade elektronerna.
• Fria elektroner i metallkatalysatorer deltar inte direkt i reduktionsreaktionen.
• Metallrelaterade yttillstånd på halvledare, särskilt de i periferin, är avgörande för fotokatalytisk vätgasproduktion.

Läs också:

Idag · 13:33

Ny forskning: Ljud från friska korallrev främjar tillväxten av ny korallart

Detta förändrar vår förståelse av metallkokatalysatorers roll i fotokatalys och erbjuder ett nytt sätt att designa metall/oxid-gränssnitt för vätgasproduktion utan värme. De möjliga fördelarna är betydande. Det kan leda till bättre katalysatordesigner som utnyttjar den nyfunna vikten av in-gap och yttillstånd. Dessutom kan denna nya infrarödspektroskopimetod, som används under reaktioner, tillämpas på andra system som drivs av ljus eller elektricitet.

Färsk forskning inom fotokatalys understryker nu betydelsen av ytegenskaper och lokala elektronstrukturer istället för att enbart fokusera på materialets övergripande egenskaper. Tillstånd som induceras av metaller nära ytan av halvledare kan kraftigt påverka hur reaktioner sker och deras effektivitet. Denna detaljerade inriktning kan bidra till att skapa mer precisa och effektiva katalysatorer för hållbar energi.

Att använda synkroniserad FT-IR-spektroskopi kan förändra hur vi studerar och förstår olika katalytiska processer. Det kan bidra till att identifiera faktorer som förbättrar katalysatorns effektivitet, vilket i sin tur kan främja skapandet av miljövänliga energilösningar för framtiden.

Fynden betonar en utveckling mot mer detaljerad och exakt kontroll av katalysatorytor. Denna framgång för vetenskapen närmare att göra väte till en användbar och miljövänlig energikälla.