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La introducción de sitios activos en la superficie puede mejorar la actividad fotocatalítica de ciertos materiales. Sin embargo, la creación de estos sitios en superficies de fotocatalizadores especializados es un desafío porque se desconoce el comportamiento estructural a nivel atómico.
Estudio: regulación específica de facetas de la superficie activa de BixMOy (M=Mo, V, W) Nanosheets para la reducción fotocatalítica de CO2 potenciada. Crédito: Víctor Josan/Shutterstock.com
Un estudio reciente publicado en la revista Angewandte Chemie International Edition aborda este problema al informar sobre una regulación simple asistida por sonicación de facetas específicas para fotocatalizadores basados en bismuto (Bi). Los defectos introducidos en la superficie altamente reactiva del fotocatalizador mejoran la transferencia de carga y reducen la barrera energética del CO2 reducción.
Reducción fotocatalítica de CO2: descripción general y significado
mientras CO2 Reducción, la energía eléctrica convierte el dióxido de carbono (CO2) a una especie reactiva más reducida. CO2 La reducción mediante un fotocatalizador basado en semiconductores se usa ampliamente para la absorción de carbono y la generación de energía verde. El CO térmicamente resistente2 Moléculas y superficies fotocatalíticas inactivas generan una gran barrera energética para el CO2 reducción.
Las modificaciones de la superficie, como los defectos de la superficie, las moléculas individuales y los grupos activos, pueden mejorar la transferencia de carga y la reactividad en el CO fotocatalítico2 reducción. Estas modificaciones en la superficie del fotocatalizador aumentan los sitios reactivos y su estructura de coordinación, aumentando así la actividad y eficiencia del fotocatalizador para CO2 conversión.
Esto ocurre porque las cargas superficiales fotoinducidas se redistribuyen durante la modificación regulada por la superficie, y los electrones se concentran cerca de los sitios activos para mejorar los procesos reductivos. Además, los grupos superficiales reactivos con una estructura de coordinación mejorada permiten la activación de los reactivos y reducen el umbral de energía para el CO2 reducción.
Límites de la tecnología de superficies para la reducción fotocatalítica de CO2
A pesar de estas ventajas de la modificación de la superficie, el control de la densidad de defectos de la superficie sigue siendo imposible a temperaturas extremas y en circunstancias significativamente reductoras, ya que se puede crear fácilmente un defecto a granel, que actúa como un centro de fusión y reduce la eficacia de la separación de carga.
Además, los átomos de oxígeno generados a partir del CO se generan2 Las moléculas pueden reparar el vacío de la superficie después de romper los enlaces de CO, lo que reduce la estabilidad y la eficacia del fotocatalizador.
La inserción de átomos metálicos, especialmente de metales nobles, es costosa y conduce a la desestabilización del fotocatalizador. Además, la impresión de características estructurales en el fotocatalizador es difícil porque las moléculas orgánicas añadidas a menudo son destruidas por la luz, lo que da como resultado la contaminación por carbono en CO2 reducción.
Como resultado, se requiere más conocimiento para administrar mejor los procesos para una modificación de superficie robusta y bien definida, así como un CO fotocatalítico mejorado.2 eficiencia de reducción.
La modulación de la superficie activa de los cristales se puede utilizar para mejorar razonablemente el rendimiento. La generación de defectos bajo fuertes reactivos reductores y alta temperatura y presión permite una modificación superficial controlada. Sin embargo, estos procesos requieren productos químicos costosos y una gran cantidad de energía, lo que genera emisiones significativas.
Aspectos destacados del estudio actual
La sonicación es un enfoque de fabricación atractivo para abordar estas dificultades porque se puede usar en condiciones ambientales usando reactivos reductores comunes para inducir la cavitación que resulta en altas temperaturas y presiones localizadas. Como resultado, el tratamiento de sonicación se puede utilizar para realizar CO2 Procesos de reducción que son desafiantes a temperatura ambiente y presión atmosférica.
En este estudio, los investigadores propusieron nanohojas de base Bi modificadas en la superficie como fotocatalizadores innovadores para la reducción de CO2. Estas nanoláminas de base Bi se fabricaron mediante un proceso hidrotérmico controlado, y las nanoláminas se limpiaron para eliminar los tensioactivos orgánicos.
La modificación química asistida por sonicación se utilizó para alterar la superficie de las nanoláminas basadas en Bi. Se utilizaron enfoques de caracterización avanzados, como la estructura de borde cercano de absorción de rayos X basada en sincrotrón (XANES), la espectrometría de fotoelectrones de rayos X (XPS) y la espectrometría de estructura fina de absorción de rayos X extendida (EXAFS) para estudiar las superficies modificadas de las nanohojas recién preparadas.
Resultados importantes de la investigación.
Las nanohojas de base Bi modificadas en la superficie mostraron CO fotocatalítico excepcional2 Eficiencia de reducción, excelente durabilidad y repetibilidad en comparación con un fotocatalizador no modificado. Esta funcionalidad mejorada de las nanoláminas así producidas se debe a la superficie modificada, que aumenta el CO2 Reactividad molecular y mejora la separación de carga.
Los investigadores también examinaron el CO2 Ruta de reducción y fases limitantes de la velocidad. La superficie superior de los fotocatalizadores se ve afectada por la modificación de la superficie asistida por ultrasonidos, mientras que la estructura cristalina a granel permanece sin cambios.
Esto promueve la transferencia de huecos de electrones y CO2 Estimulación en la superficie mientras se reduce el acoplamiento electrón-hueco en la muestra a granel, como lo demuestra en el sitio Espectrometría, espectroscopia de luminiscencia y simulaciones teóricas.
La técnica de modificación de superficie de este estudio se puede aplicar a una variedad de materiales para lograr propiedades superficiales controladas y mejorar el rendimiento fotocatalítico. Además, estos descubrimientos crean un método dinámico de ingeniería de superficies que se puede aplicar a otros sistemas fotocatalíticos, como la reducción de nitrógeno, la evolución de hidrógeno y la conversión de oxígeno.
Relación
Zhang, Y. et al. (2022). Regulación específica de facetas de la superficie activa de nanoláminas BixMOy (M=Mo, V, W) para CO fotocatalítico mejorado2 reducción. Edición internacional de Angewandte Chemie. Disponible en: https://doi.org/10.1002/anie.202212355
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