Producción solar de peróxido de hidrógeno con puntos cuánticos de carbono

Producción solar de peróxido de hidrógeno con puntos cuánticos de carbono


Un equipo de investigadores publicó recientemente un artículo en la revista ciencia avanzada que es un peróxido de hidrógeno eficiente y respetuoso con el medio ambiente (H2O2) Proceso de generación basado en semiconductores piezoeléctricos.

Producción solar de peróxido de hidrógeno con puntos cuánticos de carbono

Aprender: Producción eficiente de peróxido de hidrógeno solar utilizando polarización piezoeléctrica y transferencia de carga fotoinducida de nanopiezoeléctricos sensibilizados con puntos cuánticos de carbono. Crédito: Danijela Maksimovic/Shutterstock.com

Rutas existentes para la síntesis de H2O2

H2O2 se utiliza ampliamente como agente oxidante en diversas aplicaciones, como el tratamiento de aguas residuales, la desinfección y el procesamiento de textiles. H2O2 se produce tradicionalmente a escala industrial por oxidación de antraquinonas. Sin embargo, el proceso de fabricación plantea problemas ambientales debido a la generación de grandes cantidades de aguas residuales y residuos sólidos.

Producción directa por H2O2 mezclando oxígeno (O2) e hidrógeno (H2) no es seguro debido al riesgo de explosión. Por lo tanto, se deben desarrollar nuevos métodos para la producción de H2O2 sostenible, rentable y seguro.

Esquema del proceso de fabricación de BaTiO3:Nb con diferentes morfologías y modificado con puntos cuánticos de carbono.

Proceso de producción esquemático para BaTiO3:Nb con diferentes morfologías y modificado con puntos cuánticos de carbono. Crédito de la imagen: Hedin, N et al., Advanced Science

La conversión de O2 y agua (H2O) en H2O2 por el método de fotocatálisis basado en semiconductores representa una forma viable de producir H2 industrialmente2O2. Aunque se han desarrollado varios fotocatalizadores de semiconductores para apuntar a H2O2tales catalizadores a menudo producían cantidades muy pequeñas de H2O2 debido a la cinética de reacción lenta, que requirió la identificación de nuevos métodos para la síntesis eficiente e inducida fotocatalíticamente de H2O2.

Recientemente, los piezoeléctricos se han utilizado como catalizadores en reacciones redox para H2O2 producción y separación de agua. Los catalizadores piezoeléctricos se basan típicamente en cristales no centrosimétricos como la ferrita de bismuto y el titanato de bario (BaTiO3). Sin embargo, las velocidades de reacción de los piezocatalizadores son lentas debido a la aplicación periódica de fuerza mecánica y la falla de los piezopotenciales relacionados para iniciar el umbral crítico de energía libre de Gibbs requerido para las reacciones redox.

Nuevo método propuesto para H2O2 generación

El acoplamiento de efectos fotoeléctricos y piezoeléctricos en semiconductores piezoeléctricos es un enfoque probado y poderoso para mejorar las actividades catalíticas para una variedad de reacciones alimentadas por energía solar. El potencial piezoeléctrico que se genera cuando el semiconductor piezoeléctrico se expone a la luz y a la energía mecánica, p. B. activación ultrasónica, puede modular la separación y migración de portadores de carga fotoinducidos, lo que mejora significativamente las capacidades catalíticas en comparación con la fotocatálisis sin polarización piezoeléctrica y conduce a un H más alto2O2 tasa de producción.

Sin embargo, la estructura de la banda de energía de los semiconductores piezoeléctricos determina parcialmente la eficiencia fotocatalítica piezoeléctrica.

Propiedades estructurales y electrónicas de varios catalizadores.  a) Estructura cristalina del BaTiO3 tetragonal.  b) Patrones de difracción de rayos X de carbono puro, BaTiO3, BaTiO3:Nb y BaTiO3:Nb/C.  c) Espectros Raman de BaTiO3, BaTiO3:Nb y BaTiO3:Nb/C.  d) Espectros de absorción ultravioleta-visible de reflexión difusa de los catalizadores.  e) Curvas electroquímicas de Mott-Schottky de BaTiO3, BaTiO3:Nb y BaTiO3:Nb/C.  f) Estructuras de bandas de BaTiO3 y BaTiO3:Nb.

Propiedades estructurales y electrónicas de varios catalizadores. un) Estructura cristalina de BaTiO tetragonal3. b) Patrón de difracción de rayos X de carbono puro, BaTiO3BATiO3:Nb y BaTiO3:NB/C. C) Espectros Raman de BaTiO3BATiO3:Nb y BaTiO3:NB/C. d) Espectros de absorción ultravioleta-visible de reflectancia difusa de los catalizadores. mi) Curvas electroquímicas de Mott-Schottky de BaTiO3BATiO3:Nb y BaTiO3:NB/C. F) Estructuras de bandas de BaTiO3 y BaTiO3:Nótese bien. Crédito de la imagen: Hedin, N et al., Advanced Science

BATiO3 ha llamado la atención como catalizador piezoeléctrico debido a sus excepcionales propiedades piezoeléctricas. Sin embargo, la amplia banda prohibida del semiconductor lo hace inadecuado como fotocatalizador. Aunque el BaTiO a granel está dopado3 con cationes de niobio (Nb) y manganeso (Mn) puede reducir el ancho de la brecha de banda, el método también reduce la intensidad de polarización piezoeléctrica en gran medida.

Las concentraciones moderadas de dopante suelen ser eficaces para mejorar las actividades piezofotocatalíticas y piezocatalíticas. Sin embargo, pocos estudios se han centrado en la producción catalítica de H2O2 bajo el efecto piezofototrónico utilizando piezoeléctricos dopados con Nb.

nanopartículas a base de carbono como B. Los puntos cuánticos de carbono (CQD), que tienen un tamaño de 2 a 10 nanómetros, tienen propiedades sólidas de absorción óptica casi visibles. Los CQD se utilizan casi exclusivamente para la fotodegradación de colorantes orgánicos y como fotosensibilizadores. Aunque el papel de los CQD en la fotocatálisis se ha explorado poco, las nanopartículas demostraron su eficacia en la fotorreducción de dióxido de carbono a ácido fórmico.

Síntesis, caracterización y evaluación de BaTiO dopado con Nb cargado con CQD3

En este estudio, los investigadores sintetizaron BaTiO dopado con Nb3 (BaTiO3:Nb) con fotosensibilizadores CQD y evaluaron su efectividad para la producción piezofotocatalítica de H2O2 bajo ultrasonido y co-irradiación con luz visible.

El proceso hidrotermal seguido del proceso posterior al recocido se utilizó para fabricar BaTiO dopado con Nb3 y BaTiO sin dopar3 Ensayar. La única diferencia en la síntesis de BaTiO sin dopar3 muestras fue la eliminación del pentacloruro de niobio (NbCl5). Otro tipo de BaTiO dopado con Nb3 también se preparó mediante el mismo procedimiento usando oleato de sodio en lugar de poli(etilenglicol) (PEG).

Los CQD se cargaron en el BaTiO así sintetizado3:Nb muestras por el método de depósito in situ. BATiO3Los catalizadores de :Nb sintetizados usando PEG como aditivo se denominaron BaTiO3:Nb/C después de la carga de CQD, mientras que los catalizadores sintetizados utilizando oleato de sodio como aditivo se denominaron BaTiO3:Nb-C.

Microscopía electrónica de transmisión y barrido de emisión de campo (FE-SEM y FE-TEM), difracción de rayos X (XRD), microscopía de fuerza de respuesta piezoeléctrica (PFM), dispersión de luz dinámica (DLS), espectroscopia de resonancia paramagnética electrónica (EPR) y espectroscopia Raman se utilizaron para caracterizar las muestras sintetizadas. Los cálculos de métodos finitos se realizaron utilizando COMSOL Multiphysics 5.4 con un modelo estacionario basado en estudios de un dispositivo piezoeléctrico.

Simulación de elementos finitos para la tensión y la distribución piezopotencial en la superficie de BaTiO3 a,b) nanobarras y c,d) nanopartículas a una presión de cavitación de 108 Pa.

Simulación por método de elementos finitos para la distribución de deformaciones y piezopotenciales en la superficie de BaTiO3 a,b) Nanorods y c,d) nanopartículas con una presión de cavitación de 108 padre Crédito de la imagen: Hedin, N et al., Advanced Science

Producción catalítica de H2O2

El BaTiO sintetizado3:Nb/C y BaTiO3Los catalizadores :Nb-C se mezclaron con una solución de agua y etanol en una botella de vidrio y se agitaron en la oscuridad durante 10 minutos. Las reacciones catalíticas se realizaron luego bajo activación ultrasónica a una frecuencia de 40 kilohercios, irradiación con luz visible con una longitud de onda mayor a 420 nanómetros e irradiación simultánea con ultrasonido y luz visible para estudiar reacciones piezo, foto y piezofoto catalíticas en la generación H2O2y respectivamente, los investigadores luego evaluaron las reacciones fotocatalíticas para la división general del agua.

importancia del estudio

BATiO3:Nb sensibilizados por CQD se han sintetizado con éxito. El catalizador fue eficaz para la producción de H2O2 de h2O y O2 en un solvente de etanol bajo luz visible y co-ultrasonido. Los CQD absorbieron con éxito la luz visible en longitudes de onda superiores a 420 nanómetros.

El h2O2 Tasas de generación alcanzadas con BaTiO3Los catalizadores de :Nb/C durante la piezofotocatálisis fueron de 1360 micromoles por gramo por hora, con una eficiencia de conversión solar a química (SCC) del 0,14 % en 120 minutos de piezofotorreacción. Debido al acoplamiento sinérgico de la fotocatálisis y la polarización piezoeléctrica, la tasa de producción fue significativamente mayor que la de la fotocatálisis y la piezocatálisis solas.

El h2O2 Las tasas de generación fueron más altas en la piezocatálisis que en la fotocatálisis porque el campo de polarización piezoeléctrica estuvo mediado por BaTiO.3:Nb donde los CQD inyectaron los portadores de carga en el BaTiO3:Nb banda de conducción. Estos soportes pueden migrar a la superficie de las partículas del catalizador sin recombinación e inducir reacciones redox en la interfase líquido-sólido. La asignación fue verificada como BaTiO3:Nb/C con geometrías fuertemente anisotrópicas mostró una actividad piezofotocatalítica significativamente mayor en comparación con BaTiO3:Nb-C con estructuras esféricas.

Los cálculos basados ​​en ecuaciones mostraron que la geometría anisotrópica era la principal responsable del alto potencial piezoeléctrico. La deposición de CQD mejoró la transferencia de carga polarizada y la conductividad de los catalizadores sintetizados, lo que facilitó la migración inducida por la carga polarizada de las cargas de protección de la superficie y, por lo tanto, mejoró las actividades piezocatalíticas.

En conjunto, los resultados de este estudio demostraron un enfoque nuevo y efectivo basado en nanopiezoeléctricos para la producción a gran escala de H2O2 usando energía mecánica y luz visible, que tiene el potencial de reemplazar el método sintético ambientalmente tóxico de oxidación de antraquinona.

fuente

Hedin N, Lyubartsev A, Shen B y otros. Producción eficiente de peróxido de hidrógeno solar utilizando polarización piezoeléctrica y transferencia de carga fotoinducida de nanopiezoeléctricos sensibilizados con puntos cuánticos de carbono. ciencia avanzada 2022. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202105792

Descargo de responsabilidad: Las opiniones expresadas aquí son las del autor, expresadas en su propia capacidad y no representan necesariamente las opiniones de AZoM.com Limited T/A AZoNetwork, el propietario y operador de este sitio. Este descargo de responsabilidad forma parte de las condiciones de uso de este sitio web.

Related post

Mantente borracho para seguir con vida en este divertido juego de zombis de realidad virtual

Mantente borracho para seguir con vida en este divertido…

El hecho de que el mundo se esté acabando no significa que no puedas divertirte. Gran parte de la población mundial…
Cómo funcionan las canalizaciones de datos con almacenes

Cómo funcionan las canalizaciones de datos con almacenes

Las empresas a menudo reciben datos de diferentes fuentes. Los datos pueden ser datos estructurados, semiestructurados o incluso no estructurados, como…
Micropartículas con sentimiento

Micropartículas con sentimiento

23 de mayo de 2022 (Noticias de Nanowerk) La superficie de un coral es rugosa. Su esqueleto duro está poblado de…

Leave a Reply

Tu dirección de correo electrónico no será publicada.