Istraživači sa Univerziteta u Johanesburgu razvili su novi tip fotokatalizatora koji koristi vidljivi deo spektra sunčeve svetlosti. Trenutno, ekonomični i ekološki prihvatljivi fotokatalizatori „koriste“ samo UV spektar sunčeve svetlosti—na primer, titanijum dioksid i druge slične ekvivalente.
Istraživanje je objavljeno u časopisu Journal of Science: Advanced Materials and Devices.
Fotokatalizator je prvi trokomponentni fotokatalizator sa ovim specifičnim fotokatalitičkim svojstvima. Sastoji se od skoro 90% ekonomičnih sastojaka i dovoljno jednostavan za proizvodnju u velikim laboratorijama sa ograničenim resursima.
U drugim istraživačkim studijama, opisan je fotokatalizator koji sadrži plemeniti metal paladijum (Pd), koji takođe „koristi“ vidljivi spektar sunčeve svetlosti.
Nasuprot tome, fotokatalizator u ovoj studiji koristi male količine manjeg karbida prelaznog metala, niobijuma za pripremu treće komponente, nanomaterijala poznatog kao MKSene.
Niobijum karbid MKSene je korišćen u širokom spektru fotokatalitičkih aplikacija kao što su stvaranje vodonika i konverzija ugljen-dioksida u vredne proizvode.
U obliku praha, fotokatalizator je takođe izuzetno stabilan na visokim temperaturama, vlažnosti i hemijskim varijacijama.
Smanjenje upotrebe energije u velikim industrijskim procesima može biti teško. Ali šta ako veliki deo potrošene električne energije može da se „povuče nazad” od strane sunca?
Fotokatalizatori se mogu ‘uključiti’ sunčevom svetlošću i drugim oblicima svetlosti. Oni onda mogu olakšati hemijske procese redovima veličine. Ovi katalizatori pokazuju potencijale za upotrebu u raznim industrijama proizvodnje energije i detoksikacije životne sredine.
Ali postoji kvaka. Trenutno, visoko efikasni fotokatalizatori imaju tendenciju da budu veoma skupi. Takođe je teško i čak opasno napraviti.
Glavna komponenta troškova fotokatalizatora mogu biti metali kao što su platina, paladijum ili zlato. Korišćenje metala u fotokatalizatorima nije poželjno ni sa ekološke tačke gledišta.
Još jedna kvaka je da većina trenutnih fotokatalizatora ima tendenciju da se „uključuje“ uglavnom nakon izlaganja UV svetlu, što čini samo 5% energije sunčeve svetlosti koja dospe do površine Zemlje.
U međuvremenu, vidljiva svetlost čini 45% raspoložive sunčeve svetlosne energije, a bliska infracrvena preostalih 50%.
Fotokatalizator koji su istraživači dizajnirali i testirali pokriva oko trećine spektra vidljive svetlosti, kaže profesor Langelihle (Nsika) Dlamini. Dlamini je istraživač na UJ Odeljenju za hemijske nauke.
Da bismo to izveli brojkama, ultraljubičasti spektar (UV) ima kraće talasne dužine (visoke energije), u rasponu od 200 do 400 nanometara. Vidljiva sunčeva svetlost ima veće talasne dužine (niska energija) od 400 do 700 nanometara.
Ljubičasto-plavo-cijan-zeleni deo vidljive sunčeve svetlosti odmah pored UV svetlosti je ono na šta reaguje fotokatalizator istraživača UJ. Ovaj niskoenergetski deo vidljive svetlosti takođe ‘uključuje’ fotokatalizator da bi pokrenuo hemijske reakcije.
„Fotokatalizator je uzbuđen i ima nisku stopu neželjene rekombinacije elektrona i rupa u opsegu talasnih dužina od 420 do 520 nanometara. To je zahvaljujući jedinstvenom strukturnom dizajnu integrisanih materijala“, kaže Dlamini.
„To znači da bi fotokatalizator trebalo da bude u stanju da odgovori na dodatnih 15% raspoložive sunčeve energije za pokretanje hemijskih procesa, u zavisnosti od njegove efikasnosti“, kaže on.
Ova studija je prva za neplemeniti metal, ekonomičan fotokatalizator, kaže dr. kandidat gospodin Kolen Makola.
„Performanse bilo kog fotokatalizatora se mogu meriti procenom njegove sposobnosti da pretvori sunčevu i/ili svetlosnu energiju u hemijsku energiju. Ovo je poznato kao efikasnost razgovora između foto-hemije, predstavljena kao mu.
„Naš fotokatalizator (mu = 4,86%) nadmašuje trokomponentni fotokatalizator (mu = 1,81%), koji se pojavio u članku u časopisu 2017. Taj fotokatalizator se sastojao od srebra, kadmijum sulfida i cink oksida“, kaže Makola.
U temperaturnim testovima, istraživači su otkrili da je fotokatalizator izuzetno stabilan do 500° Celzijusa. Takođe, potvrđena je stabilnost u vodi različitih pH nivoa u rasponu od pH 1 do pH 14.
Pored toga, pripremljeni fotokatalizator se ravnomerno disperguje u vodi – dodatna prednost za fotokatalitičke primene.
Da bi dobili fotokatalizator sa ovim performansama, istraživači su kombinovali tri ‘sastojka’ za konačni dizajn fotokatalizatora.
Prvo, oko 89% ukupne mase fotokatalizatora u obliku praha je grafitni ugljenik, kaže Dlamini.
„Grafitski ugljenik se ‘pobuđuje’ ili ‘uključuje’ UV svetlošću u opsegu talasnih dužina od 200 do 400 nanometara. On proizvodi slobodne elektrone koji zatim mogu da pokrenu različite hemijske procese“, dodaje Dlamini.
Istraživači su proizveli ovaj sastojak u jednoj od laboratorija UJ. Drugi sastojak je oko 10% konačne mase. Ovo je kaliksaren, u ovom slučaju molekul u obliku čaše.
„Uključili smo kaliksaren tako da fotokatalizator može da ‘uhvati’ i razbije neželjene organske molekule, kao što su lični proizvodi, farmaceutski lekovi i njihovi metaboliti i druge supstance u komunalne otpadne vode. Kaliksareni se decenijama koriste u farmaceutskim lekovima“, dodaje Dlamini.
Istraživači su kupili kaliksaren iz prodaje i zatim ga modifikovali.
Treći sastojak je MKSene. „Glavna funkcija MKSene-a je da spreči da se foto-generisani elektroni iz grafitnog ugljen nitrida rekombinuju ili ‘ponište’ sa pozitivno naelektrisanim vrstama (poznatim kao rupe) pod izloženošću vidljivom svetlu“, kaže Makola.
MKSene koji su odabrali je oko 1% konačne mase. Sadrži ugljenik i malu količinu niobijuma, relativno jeftinog metala.
„I kaliksaren i MKSene doprineli su pomeranju apsorpcije svetlosti u vidljivi region sunčevog spektra“, kaže Makola.
Po svojoj prirodi, ekonomični fotokatalizator ima značajan potencijal za višestruku industrijsku primenu gde su sunčeva ili električna svetlost dostupna za olakšavanje hemijskih procesa, kaže Dlamini. Ovo varira od tretmana velike količine vode do sterilizacije prostorija za uzgoj ili medicinskih ustanova i još mnogo toga.
Trenutno, istraživači testiraju sposobnost fotokatalizatora da razgradi organske zagađivače i farmaceutske ostatke u stvarnim uzorcima otpadnih voda u laboratorijskoj skali.
