Wissenschaftler lösen titanisches Rätsel des beliebten Photokatalysators

Wissenschaftler lösen titanisches Rätsel des beliebten Photokatalysators

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Anonim

vom University College London

Ein Durchbruch in unserem Verständnis der Eigenschaften von Titandioxid (Titandioxid) - der Grundlage der selbstreinigenden Fenstertechnologie - ist von Wissenschaftlern der UCL erzielt worden, wobei ein jahrzehntelanges Missverständnis aufgedeckt wurde, das unser Wissen darüber, wie Titandioxid in der Mischphase [1] vorliegt, getrübt hat Katalysatoren arbeiten.

Durch die Durchführung modernster Berechnungssimulationen neben präzisen experimentellen Messungen physikalischer Proben des Minerals stellten die Wissenschaftler des UCL fest, dass die allgemein akzeptierte Erklärung für die Funktionsweise von Titandioxid-Mischphasenkatalysatoren falsch war. Ihre Entdeckung, die heute in Nature Materials veröffentlicht wurde , wird Wissenschaftlern und Ingenieuren helfen, verbesserte Photokatalysatoren zu entwickeln, die in sauberen Energietechnologien, selbstreinigenden Beschichtungen und einer Reihe anderer Bereiche Anwendung finden.

Seit den 1970er Jahren wissen Wissenschaftler, dass Titandioxid ein Photokatalysator ist, eine Substanz, die Wasser und andere Substanzen auf ihrer Oberfläche abbauen kann, wenn sie Licht ausgesetzt wird. Dies geschieht, wenn Photonen im Licht Elektronen innerhalb der Atomstruktur anregen. Diese Elektronen reagieren dann mit den Wassermolekülen und spalten sie unter Freisetzung von Wasserstoff auf, der als grüner Brennstoff verwendet werden kann. Das gleiche Phänomen verschlechtert auch organische Moleküle wie Öle und Fette.

Diese Eigenschaften, kombiniert mit der Tatsache, dass Titandioxid billig und reichlich vorhanden ist, haben es zu einer vielfach untersuchten und weit verbreiteten Substanz und zur Grundlage der selbstreinigenden Fenstertechnologie gemacht.

"Im vergangenen Jahr wurden etwa 12.000 wissenschaftliche Artikel über Titandioxid verfasst", sagt der Hauptautor David Scanlon (UCL Chemistry). "Dies ist einer der am intensivsten untersuchten Katalysatoren auf dem Markt. Trotz der zahlreichen Forschungen zu diesem Material ist dies die Erklärung für." Die beobachtete Leistungssteigerung bei Verwendung von Mischphasenproben anstelle von einphasigen Materialien war jahrzehntelang ein Rätsel geblieben. "

Während die chemische Formel von Titania immer dieselbe ist - ein Titan und zwei Sauerstoffatome - können seine Moleküle auf unterschiedliche Weise angeordnet werden, wodurch unterschiedliche Kristallstrukturen und -eigenschaften entstehen.

Die häufigsten zwei Formen in der Natur heißen Rutil und Anatas. Beide Formen können Wasser in Gegenwart von ultraviolettem Licht spalten (obwohl Anatas viel besser als Rutil ist), aber wenn die beiden Formen zu demselben Partikel kombiniert werden, gibt es eine Synergie zwischen den beiden Formen, was zu verbesserten Eigenschaften führt.

Die Gründe für diese Eigenschaft sind die Bandausrichtung von Rutil und Anatas (die Beziehung zwischen den Energieniveaus der Elektronen in den Materialien), aber die genaue Natur dieser Tatsache war über die Jahre Gegenstand zahlreicher Debatten in Chemie, Physik und Materialwissenschaften.

Eine sehr einflussreiche Studie eines Schweizer Teams aus dem Jahr 1996 schien die Frage geklärt zu haben, warum Rutil-Anatas-Gemische Wasser besser spalten können. Diese Studie kam zu dem Schluss, dass die Energieniveaus der Elektronen in Rutil geringfügig niedriger waren als in Anatas, und dass der Versatz zwischen beiden erklären könnte, warum gemischte Proben von Anatas und Rutil Eigenschaften haben, die sich von reinen Proben unterscheiden.

Nach und nach wurden jedoch eine Reihe von Problemen mit der Theorie deutlich, zum Beispiel bemerkten viele Wissenschaftler, dass Elektronen von Rutil in Anatas flossen, wenn sie gemischte Proben der beiden verwendeten - das Gegenteil von dem, was passieren sollte, wenn Rutil ein niedrigeres Energieniveau als Anatas hatte. Das UCL-Team machte sich daher daran, das Phänomen zu untersuchen und die heute verfügbare verbesserte Rechenleistung sowie eine neue experimentelle Technik zu nutzen.

Das Team nutzte die Supercomputing-Einrichtung von UCL für Legion Cluster, um die Eigenschaften von Rutil und Anatas auf dem neuesten Stand der Technik zu simulieren, und entdeckte das genaue Gegenteil von dem, was die Studie von 1996 ergab: Der Versatz verlief tatsächlich in die entgegengesetzte Richtung, mit Anatas die niedrigeren Energieniveaus. Dies erklärt klar und deutlich den bisher mysteriösen Elektronenfluss von Rutil zu Anatas und die Sauerstoffempfindlichkeit von Rutil.

Parallel dazu kamen Experimente mit physikalischen Proben von Rutil-Anatas-Partikeln, die von Charles Dunnill (UCL Chemistry) durchgeführt wurden, zu den gleichen Ergebnissen wie die Computersimulationen.

"Die Arbeit erklärt eine Frage, die seit fast 40 Jahren ohne eine gute Antwort im Umlauf ist", sagt Dunnill. "Zum ersten Mal haben wir tatsächlich glaubwürdige Ergebnisse, die die beobachteten Eigenschaften von Titandioxid auf kohärente und überzeugende Weise erklären."

Ein besseres Verständnis, wie Titandioxid Wasser und andere Moleküle abbaut, hat Auswirkungen auf die Konstruktion von Anlagen zur Herstellung umweltfreundlicher Kraftstoffe sowie von selbstreinigenden Beschichtungen für die Sterilisation.