Jüngste Fortschritte bei der integrierten, durch elektrische Felder unterstützten photokatalytischen Trockenreformierung von Methan

Methan (CH4) und Kohlendioxid (CO2) sind die beiden wichtigsten Treibhausgase, die die globale Erwärmung verursachen. Die Trockenreformierung von Methan (DRM) kann zwei Treibhausgase gleichzeitig nutzen, um Wasserstoff (H2) und Kohlenmonoxid (CO) zu erzeugen, was bedeutet, dass DRM eine der idealen Strategien zur Reduzierung des Treibhauseffekts ist.

Allerdings weisen CH4 und CO2 eine hohe thermodynamische Stabilität auf, sodass der herkömmliche thermische DRM-Prozess immer eine hohe thermische Energie benötigt, um CH4 und CO2 zu aktivieren. Die Entwicklung der photokatalytischen Technologie bietet mehr Möglichkeiten für die Initiierung von DRM-Reaktionen unter milden Bedingungen.

Aufgrund der schnellen Rekombination photoangeregter Ladungsträger ist die photokatalytische Effizienz jedoch noch unbefriedigend. Es wurde berichtet, dass der Aufbau eingebauter elektrischer Felder in Photokatalysatoren eine zuverlässige Strategie zur Verbesserung der Ladungsübertragungsdynamik ist. Daher wird erwartet, dass die Entwicklung von Photokatalysatoren mit internen elektrischen Feldern zur Steuerung des Ladungsübertragungsverhaltens die oben genannte Herausforderung bewältigen kann.

Kürzlich veröffentlichten die Forschungsteams unter der Leitung von Prof. Huimin Liu von der Liaoning University of Technology, China, und Dr. Jordi García-Antón von der Universitat Autònoma de Barcelona (UAB) einen Übersichtsartikel, in dem sie die jüngsten Fortschritte beim integrierten elektrischen Feld vorstellten -unterstützte photokatalytische Trockenreformierung von Methan. Diese Rezension wurde veröffentlicht in Chinesisches Journal für Katalyse.

In diesem Artikel werden zunächst der grundlegende Reaktionsmechanismus von DRM und herkömmliche thermische Katalysatoren für DRM vorgestellt. Anschließend wurden die Vorteile und potenziellen photokatalytischen Materialien für die Anwendung von photokatalytischem DRM (PDRM) zusammengefasst, wobei der Schwerpunkt auf drei Arten von Photokatalysatoren mit eingebauten elektrischen Feldern lag:

(1) Auf ferroelektrischen Materialien basierende Photokatalysatoren, die durch permanente spontane Polarisation aus ferroelektrischen Effekten eingebaute elektrische Felder erzeugen.

(2) Photokatalysatoren mit Heteroübergangsstrukturen, die an der Heterogrenzfläche ein internes elektrisches Feld auslösen. Aufgrund der gestaffelten Lückenstruktur in Typ-II-Heteroübergängen wird an der Grenzfläche ein internes elektrisches Feld gebildet, das zu getrennten Oxidations- und Reduktionsprozessen über verschiedene Halbleiteroberflächen führt. Darüber hinaus kann der Z-Schema-Heteroübergang Ladungsträger mit hoher Redoxfähigkeit über ein elektrisches Grenzflächenfeld aufrechterhalten, um Ladungen mit geringer Redoxfähigkeit zu rekombinieren. Somit könnte die PDRM-Effizienz durch verschiedene Heteroübergangsstrukturen verbessert werden.

(3) Photokatalysatoren mit eingebauten thermoelektrischen Feldern, die durch lokale Oberflächenplasmonenresonanz (LSPR) erzeugt werden. Metallnanopartikel sind geeignete Kandidaten für die Beschleunigung des Ladungstransfers und die Aktivierung von Reaktanten durch Resonanz, was zu diskontinuierlichen elektronischen Strukturen in Metallen führt, die lokale elektrische Felder zwischen den Metallnanopartikeln und Licht im sichtbaren Nahinfrarotbereich (Vis-NIR) erzeugen.

Mehrere Studien haben gezeigt, dass die Aktivität und Selektivität eines bestimmten Produkts durch plasmonengestützte Photokatalyse erhöht werden, was das große Potenzial von LSPR zur Verbesserung der photokatalytischen (oder photothermisch-katalytischen) Effizienz unterstreicht. Zusätzlich zu den oben genannten Photokatalysatoren führt die Entwicklung der PDRM-Technologie zu mehr Anforderungen an das Verständnis des Reaktionsmechanismus oder die Aufklärung der Rolle spezifischer Komponenten in Photokatalysatoren.

Daher stellt dieser Aufsatz auch fortschrittliche In-situ-Charakterisierungstechnologien und theoretische Berechnungen vor und vermittelt jungen Forschern, die sich in einem frühen Stadium auf diesem Gebiet engagieren, grundlegendes Wissen.

Obwohl im PDRM-Bereich viele Anstrengungen unternommen wurden, müssen noch einige Herausforderungen bewältigt werden. Basierend auf den vorhandenen Forschungsergebnissen fasst diese Übersicht abschließend die wichtigsten Herausforderungen zusammen und schlägt praktikable Strategien vor, die zu eingehenderen Untersuchungen in diesem Bereich in der Zukunft anregen.