Umwandlung von Temperaturschwankungen in saubere Energie mit neuartigen Nanopartikeln und Heizstrategie
Die pyroelektrische Katalyse (Pyrokatalyse) kann Temperaturschwankungen in der Umgebung in saubere chemische Energie, z. B. Wasserstoff, umwandeln. Im Vergleich zu den gängigeren Katalysestrategien wie der Photokatalyse ist die Pyrokatalyse jedoch aufgrund der langsamen Temperaturschwankungen in der Umgebung ineffizient. Kürzlich hat ein Team unter der Leitung von Forschern der City University of Hong Kong (CityU) eine wesentlich schnellere und effizientere pyrokatalytische Reaktion ausgelöst, indem es lokalisierte plasmonische Wärmequellen nutzte, um das pyrokatalytische Material schnell und effizient zu erhitzen und es abkühlen zu lassen. Die Ergebnisse eröffnen neue Wege für eine effiziente Katalyse für biologische Anwendungen, Schadstoffbehandlung und saubere Energieerzeugung.
Veranschaulichung möglicher Anwendungen der Kombination von pyroelektrischen Materialien und dem lokalisierten thermoplasmonischen Effekt von Edelmetall-Nanomaterialien.
Dr Lei Dangyuan’s group / City University of Hong Kong
Unter Pyrokatalyse versteht man die Katalyse, die durch Oberflächenladungen in pyroelektrischen Materialien ausgelöst wird, die durch Temperaturschwankungen entstehen. Es handelt sich dabei um eine umweltfreundliche, energieautarke Katalysetechnik, bei der Wärmeenergie aus der Umwelt genutzt wird. Sie hat zunehmende Aufmerksamkeit bei der Erzeugung sauberer Energie und reaktiver Sauerstoffspezies erregt, die zur Desinfektion und Farbstoffbehandlung weiterverwendet werden können.
Die meisten der derzeit verfügbaren pyroelektrischen Materialien sind jedoch nicht effizient, wenn sich die Umgebungstemperatur im Laufe der Zeit nicht stark ändert. Da die Änderung der Umgebungstemperatur oft begrenzt ist, besteht eine praktikablere Möglichkeit zur Steigerung der pyrokatalytischen Effizienz darin, die Anzahl der Temperaturzyklen zu erhöhen. Es ist jedoch eine große Herausforderung, den Pyrokatalysator innerhalb eines kurzen Zeitintervalls mit herkömmlichen Heizmethoden mehrfach zu erwärmen.
Die Herausforderung der mehrfachen thermischen Zyklen
Ein Forschungsteam unter der Leitung von Dr. Lei Dangyuan, außerordentlicher Professor am Department of Materials Science and Engineering (MSE) der CityU, hat dieses Hindernis vor kurzem durch eine neuartige Strategie überwunden, bei der pyroelektrische Materialien und der lokalisierte thermo-plasmonische Effekt von Edelmetall-Nanomaterialien kombiniert wurden.
Die plasmonischen Nanostrukturen, die die kollektive Schwingung freier Elektronen unterstützen, können Licht absorbieren und es schnell in Wärme umwandeln. Ihre Größe im Nanomaßstab ermöglicht schnelle und dennoch effektive Temperaturänderungen innerhalb eines begrenzten Volumens ohne nennenswerte Wärmeverluste an die Umgebung. Folglich kann die von den thermoplasmonischen Nanostrukturen erzeugte lokale Wärme leicht fein abgestimmt und durch externe Lichteinstrahlung innerhalb eines ultrakurzen Zeitintervalls an- oder abgeschaltet werden.
In ihren Experimenten wählte das Team ein typisches pyrokatalytisches Material, nämlich Bariumtitanat (BaTiO3)-Nanopartikel. Die korallenartigen BaTiO3-Nanopartikel sind mit Gold-Nanopartikeln als plasmonische Wärmequellen dekoriert; die Gold-Nanopartikel können die Photonen eines gepulsten Lasers direkt in Wärme umwandeln. Die Ergebnisse des Experiments zeigen, dass Gold-Nanopartikel als schnelle, dynamische und kontrollierbare lokale Wärmequelle wirken, ohne die Umgebungstemperatur zu erhöhen, was die gesamte pyrokatalytische Reaktionsrate von BaTiO3-Nanopartikeln deutlich und effizient erhöht.
Gold-Nanopartikel als lokalisierte Wärmequelle
Durch diese Strategie erreichte das Team eine hohe pyrokatalytische Wasserstoffproduktionsrate und beschleunigte damit die Entwicklung der praktischen Anwendung der Pyrokatalyse. Die plasmonischen pyroelektrischen Nanoreaktoren zeigten eine beschleunigte pyrokatalytische Wasserstoffproduktionsrate von etwa 133,1±4,4µmol-g-1-h-1 durch thermo-plasmonische lokale Erwärmung und Kühlung unter Bestrahlung mit einem Nanosekundenlaser der Wellenlänge 532nm.
Darüber hinaus betrug die Wiederholrate des im Experiment verwendeten Nanosekundenlasers 10 Hz, was bedeutet, dass der Katalysator pro Sekunde mit 10 Lichtpulsen bestrahlt wurde, um 10 Heiz- und Kühlzyklen zu erreichen. Dies bedeutet, dass die pyroelektrische katalytische Leistung in Zukunft durch eine Erhöhung der Laserpulsfolgefrequenz verbessert werden könnte.
Das Forscherteam ist der Ansicht, dass ihre Versuchsergebnisse einen neuen Ansatz zur Verbesserung der Pyrokatalyse durch die Entwicklung eines innovativen pyroelektrischen Verbundsystems mit anderen photothermischen Materialien eröffnet haben. Dieser wesentliche Fortschritt wird die künftige Anwendung der Pyrokatalyse bei der Behandlung von Schadstoffen und der Erzeugung sauberer Energie erleichtern.
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