گروهی از دانشمندان آمریکایی ساختار اتمی لایه سطحی نانوبلورهای دی‌اکسید تیتانیوم را به‌هم زده و کاتالیزوری ساخته‌اند که دوام و کارایی بالایی در جذب انرژی خورشیدی و استفاده از آن در استخراج هیدروژن از آب دارد.
افزایش کارایی فتوکاتالیزورها با استفاده از بی نظمی‌های ساختاری
دانشمندان آزمایشگاه ملی لورنس برکلی متعلق به وزارت انرژی آمریکا ساختار اتمی لایه سطحی نانوبلورهای دی‌اکسید تیتانیوم را به‌هم زده و کاتالیزوری ساخته‌اند که دوام و کارایی بالایی در جذب انرژی خورشیدی و استفاده از آن در استخراج هیدروژن از آب دارد.
این فتوکاتالیزور که واکنش‌های شیمیایی فعال شده با نور را تسریع می‌کند، اولن کاتالیزوری است که دوام زیاد و بهره بالای جذب انرژی خورشیدی را به‌طور همزمان داراست.
این ماده می‌تواند امکان تولید تمیز هیدروژن برای استفاده به‌عنوان حامل انرژی در پیل‌های سوختی را فراهم کند. ساموئل مائو که رهبری این تحقیق را بر عهده داشته است می‌گوید: «ما به‌دنبال یافتن راه‌های بهتری برای تولید هیدروژن از آب با استفاده از نور خورشید هستیم. در این کار بی‌نظمی‌هایی را در نانوبلورهای دی‌اکسید تیتانیوم ایجاد کردیم که این امر توانایی جذب نور خورشید و کارایی آن را در استخراج هیدروژن از آب بهبود می‌بخشد».
با وجودی که دی‌اکسید تیتانیوم دوام بالایی دارد، اما فتوکاتالیزور بسیار کارایی محسوب نمی‌شود. محققان با افزودن ناخالصی‌ها و تغییرات دیگر سعی کرده‌اند تا کارایی این کاتالیزور را افزایش دهند.
دانشمندان آزمایشگاه برکلی راهکار جدیدی را امتحان کردند. آنها علاوه بر افزودن ناخالصی‌ها، به‌صورت هدفمند بی‌نظمی‌هایی را در ساختار اتمی منظم و کاملِ لایه سطحی نانوبلورهای دی‌اکسید تیتانیوم ایجاد نمودند. این بی‌نظمی‌ها از طریق فرایند هیدروژناسیون ایجاد شدند.
در نتیجه این کار اولین نانوبلور مهندسی‌شده بی‌نظم تولید شد. اولین تغییری که به‌طور واضح مشاهده شد، تبدیل رنگ سفید دی‌اکسید تیتانیوم به سیاه بود که نشان‌دهنده جذب نور مادون قرمز توسط این بلور است.
این دانشمندان حدس می‌زدند که این بی‌نظمی‌ها عملکرد فتوکاتالیزور را نیز بهبود بخشیده باشند. برای فهمیدن این موضوع، نانوبلورهای مهندسی شده را در آب غوطه‌ور ساخته و آن را در معرض نور شبیه‌سازی شده خورشید قرار دادند. آنها دریافتند که در صورت استفاده از یک واکنشگر قربانی، ۲۴ درصد از نور جذب شده به هیدروژن تبدیل می‌شود. این درصد تبدیل ۱۰۰ برابر بیشتر از بهره تبدیل بسیاری از نیمه‌رساناهایی است که در شرایط مشابه عمل می‌کنند. بنابرگفته مائو کار زیادی لازم است تا بدون استفاده از واکنشگر قربانی، به بهره‌های تبدیل قابل مقایسه با این عدد برسند.
به‌علاوه، این کاتالیزور پس از گذشت ۲۲ روز هیچ تخریب قابل ملاحظه‌ای از خود نشان نداد که نشان‌دهنده دوام بالای آن برای کاربردهای عملی است.
جزئیات این تحقیق به صورت آنلاین در مجله Science Express منتشر شده است.
