طراحی و ساخت فوتوکاتالیست پلاسمونیک با کمک نانوذرات نقره

به گزارش گروه فناوری خبرگزاری دانشجو، وابستگی ما به سوخت‌های فسیلی منجر به اثرات مخربی بر کره زمین و محیط‌زیست شده است، از جمله مهمترین آن‌ها انتشار دی اکسید کربن (CO ۲) است که از عوامل اصلی ایجاد تغییرات در آب و هوا است. اما چگونه می‌توانیم خود را از سوخت‌های فسیلی خلاص کنیم؟ پاسخ این سوال نور خورشید است.

خورشید یک منبع انرژی تقریباً بی‌پایان برای سیاره ما است. موجودات زنده میلیارد‌ها سال از انرژی خورشیدی بهره می‌برند. اکنون می‌توانیم فتوسنتز را یک‌باره انجام دهیم. توسعه سیستم‌های مصنوعی مبتنی بر انرژی خورشیدی، یا فوتوکاتالیست‌ها، به‌عنوان موادی که از توانایی گیاهان در گرفتن انرژی خورشیدی تقلید می‌کند، انگیزه و الهام‌بخش تحقیقات زیادی در سراسر جهان شده است. یک تیم تحقیقاتی در دانشگاه آلبرتا، یک فوتوکاتالیست نیمه‌هادی دو فلزی پلاسمونی را تولید کرده است.

توانایی یک ماده در هدایت الکتریسیته به چگالی الکترون‌های موجود در آن بستگی دارد. از این جنبه، نیمه‌هادی‌ها در مقایسه با فلزات و عایق‌ها، مواد متوسط هستند. فلزات دریایی دارای الکترون هستند که آزادانه بین اتم‌ها جریان دارند و آن‌ها را رسانا‌های عالی می‌کند.

عایق‌ها دقیقاً برعکس هستند. این وضعیت در نیمه‌هادی‌ها کاملاً متفاوت است جایی که الکترون‌ها دو سطح انرژی خاص یعنی لایه ظرفیت و لایه رسانا را اشغال می‌کنند. هنگامی که نیمه‌هادی انرژی کافی را برای پرش از این شکاف جذب می‌کند، الکترون‌ها از سطح ظرفیت می‌توانند به سطح هدایت برسند.

دی اکسید تیتانیوم (TiO ۲) که معمولاً در ضدآفتاب‌ها، پوشش‌ها (مانند تابه‌های نچسب پخت و پز) و مواد آرایشی یافت می‌شود، ماده ایده‌آل برای یک فوتوکاتالیست نیمه‌هادی است. دی اکسید تیتانیوم به‌عنوان یک گزینه کم‌هزینه بوده که نه‌تنها بسیار در دسترس است بلکه دارای سمیت کم، پایدار در محیط‌های اسیدی و مقاوم در برابر خوردگی است، در حال حاضر یک فوتوکاتالیست محبوب است که برای تولید سوخت هیدروژن، تصفیه فاضلاب، تصفیه هوا مورد استفاده قرار گرفته است. وجود همه این مزایا، تجاری‌سازی در مقیاس انبوه فناوری فوتوکاتالیست نیمه‌هادی بسیار کند بوده است.

بیشتر نیمه‌هادی‌ها از جمله TiO ۲ در درجه اول نور ماوراءبنفش را جذب می‌کنند که تنها ۴ درصد از طیف انرژی خورشیدی است. برای غلبه بر این مشکل، محققان نانوذرات فلزی را در فوتوکاتالیست‌های نیمه‌هادی جاسازی کردند. این سیستم ترکیبی حامل‌های بار بسیار پر انرژی یا الکترون‌های «داغ» را برای افزایش فعالیت فوتوکاتالیستی تولید می‌کند.

وقتی نور به نانوذره فلزی تابیده می‌شو‌د، میدان الکتریکی الکترون‌ها را به سمت یک طرف سوق می‌دهد و در نتیجه در هر دو انتهای نانوذره، بار‌های منفی و مثبت جمع می‌شود، این آرایش به نام دوقطبی است که بار‌ها مانند یک آونگ درون نانوذره فلز در حال نوسان هستند.

مانند تنظیم یک ساز موسیقی، اگر فرکانس تابش نانوذره را با فرکانس نوسانات بار در نانوذره فلز مطابقت دهیم می‌توان رزونانس ایجاد کرده که منجر به تراکم زیاد الکترون‌های گرم می‌شود. به این ساختار یک فوتوکاتالیست پلاسمونیک گفته می‌شود.

محققان با استفاده از نانوذرات نقره (Ag) و مس (Cu) در نانولوله‌های TiO ۲ یک فوتوکاتالیست پلاسمونیک ساختند که در طیف نور مرئی – مادون قرمز جذب بالایی دارد.