Wasserstoffperoxid wird in vielen Branchen für eine Vielzahl von Zwecken verwendet, darunter Bleichen, Abwasserbehandlung, Sterilisation und sogar als Raketentreibstoff. Da das Nebenprodukt von Wasserstoffperoxid Wasser ist, wurde es als „grüne“, umweltfreundliche Chemikalie gelobt, aber ein genauerer Blick auf den Produktionsprozess von Wasserstoffperoxid offenbart eine kompliziertere Geschichte. Probleme wie der Energieverbrauch für den Produktionsprozess und den Abbau der benötigten Chemikalien haben dramatische Auswirkungen auf die Umwelt. Da die Nachfrage nach Wasserstoffperoxid weltweit steigt, versuchen Forscher, neue Wege zur Herstellung von Wasserstoffperoxid zu finden, die sicherer und besser für die Umwelt sind.
Frühere Forschungen haben Techniken identifiziert, die Photokatalyse, die Verwendung von Licht zum Starten einer chemischen Reaktion und heiße Elektronen verwenden, bei denen es sich um hochenergetische Elektronen handelt, die durch sichtbares und infrarotes Licht aufgeladen wurden, als alternative Lösungen zur Wasserstoffperoxidproduktion. Sowohl Photokatalyse als auch heiße Elektronen wurden in der Vergangenheit in grünen Energiealternativen wie Solarenergie verwendet, aber Einschränkungen bei beiden Verfahren haben verhindert, dass sie für die Wasserstoffperoxidproduktion eingesetzt werden.
Um einige dieser Einschränkungen zu beheben, haben Forscher der Shanghai Jiao Tong University Wege gefunden, die heißen Elektronen länger haltbar zu machen, damit die Photokatalyse zur Herstellung von Wasserstoffperoxid in einem sichereren, saubereren Produktionsprozess eingesetzt werden kann.
Die Ergebnisse wurden am 25. Juni veröffentlicht Nanoforschung.
Der Autor des Artikels Xinhao Li, Professor an der School of Chemistry and Chemical Engineering der Shanghai Jiao Tong University, erklärte einige der Einschränkungen bei der Verwendung heißer Elektronen bei der Herstellung von Wasserstoffperoxid. „Die Lebensdauer heißer Elektronen, typischerweise auf einer Zeitskala von 0,4 bis 0,3 Pikosekunden, konnte nicht gut mit der Zeitskala typischer chemischer Reaktionen, einschließlich der Sauerstoffreduktionsreaktion zu Wasserstoffperoxid, in Einklang gebracht werden. Aus diesem Grund ist es attraktiv, sie zu entwickeln leistungsstarke Methoden zur Verlängerung der Lebensdauer von thermalisierten heißen Trägern gegenüber billigen Photokatalysatoren für die Wasserstoffperoxidproduktion, die nur Wasser, Luft und Sonnenlicht verwenden“, sagte Li.
Die von den Forschern vorgeschlagene Methode zur Aufrechterhaltung der Energie der heißen Elektronen ist unkompliziert. Ein Heteroübergang – eine Kombination aus zwei verschiedenen Halbleiterschichten – aus Rutil-Titandioxid und Graphen wird hergestellt, um die heißen Elektronen zu ernten. Zunächst erforschten Forscher Möglichkeiten, Rutil-Titandioxid schnell und effizient synthetisch herzustellen. Es dauert 24 Stunden, bis der Phasentransferprozess durch das Mahlverfahren Anatas-Titandioxid in Rutil-Titandioxid umwandelt, aber die Forscher konnten dies auf 5 Minuten reduzieren.
Die Kombination aus Rutil-Titandioxid und Graphen bildet eine erhöhte Schottky-Barriere, die für die Verlängerung der Lebensdauer heißer Elektronen unerlässlich ist. Eine Schottky-Barriere bildet sich zwischen einem Metall und einem Halbleiter und wirkt als Barriere für Elektronen. Da die Schottky-Barriere zwischen Rutil-Titandioxid und Graphen hoch ist, erleichtert sie die Injektion heißer Elektronen und verhindert, dass die Elektronen rückwärts durch die Barriere fließen. Die erhöhte Barriere wird aufgrund des schnellen Phasenübergangs zwischen Anatas-Titandioxid und Rutil-Titandioxid erreicht. Der schnelle Phasentransfer und die erhöhte Barriere ermöglichen eine lange Fluoreszenzlebensdauer und eine bessere Effizienz, wodurch die Wasserstoffperoxidproduktion mit sichtbarem und nahem Infrarotlicht gesteigert wird. Forscher vermuten, dass das Graphen/Rutil-Titandioxid für mindestens sechs Zyklen von Standardreaktionen wiederverwendet werden kann, wodurch es noch effizienter für die Herstellung von Wasserstoffperoxid wird.
Was die nächsten Schritte anbelangt, suchen die Forscher nach Möglichkeiten, den Prozess zu vereinfachen. „In der Folgearbeit hoffen wir, einfachere Strategien zur Optimierung der Heterostruktur der Photokatalyse zu entwickeln, um die Nutzung photogenerierter heißer Elektronen weiter zu verbessern. Dieses photokatalytische System, das durch photogenerierte heiße Elektronen an billigen edelmetallfreien Heteroübergängen angetrieben wird, zeigt ein erhebliches Potenzial als ein neues künstliches Photosynthesesystem“, sagte Li.
Weiyao Hu et al, Schnelles und mildes Übertragen der Anatasphase von graphenaktiviertem TiO2 zu Rutil mit erhöhter Schottky-Barriere: Erleichterung der Injektion heißer Elektronen an der Grenzfläche für Vis-NIR-gesteuerte Photokatalyse, Nanoforschung (2022). DOI: 10.1007/s12274-022-4624-8
Zur Verfügung gestellt von Tsinghua University Press