Biyopolimer Kaplamalı Nanokatalizörler Hidrojen Yakıt Odaklı Bir Geleceğin Gerçekleştirilmesine Yardımcı Olabilir
İklim değişikliği ile mücadele etmek için, fosil yakıtlardan temiz ve sürdürülebilir enerji kaynaklarına geçiş mecburidir. Bu bağlamda popüler bir aday olan hidrojen, kullanıldığında yalnızca su üreten çevre dostu bir yakıttır. Bununla birlikte, hidrojen üretiminin verimli metotları genellikle çevre dostu değildir. Hidrojen üretiminde suyu, güneş ışığı ile yarmanın çevre dostu alternatifi verimsizdir ve fotokatalizörün (ışığı emerek kimyasal reaksiyonları kolaylaştıran malzeme) düşük stabilitesinden muzdariptir. Peki stabil ve verimli bir fotokatalist geliştirme sorunu nasıl ele alınır?
Yakın zamanda Applied Catalysis B’de yayınlanan bir çalışmada, Kore’deki Incheon Ulusal Üniversitesi’nden Yardımcı Doçent Yeonho Kim önderliğindeki Environmental tarafından bir grup uluslararası bilim insanları bu soruyu ele aldı ve polidopamin (PDA) kaplı çinkosülfür (ZnS) nanoçubuklarının bir fotokatalizör olarak performansını bildirdi. Bu, hidrojen üretiminde tek başına ZnS katalizörüne kıyasla %220 artış gösterdi! Dahası, 24 saat süresince radyasyona maruz kaldıktan sonra bile aktivitesinin yaklaşık %79’unu koruyarak iyi bir stabilite gösterdi. Araştırmalarının arkasındaki motivasyonu özetleyen Doktor Kim, “güneş ışığı altında ZnS, hızlı bir şekilde elektrik yükü taşıyıcıları oluşturabildiğinden çeşitli fotokimyasal uygulamalara sahiptir. Bununla birlikte, ayrıca güneş ışığı da ZnS’nin fotokorozyonuna yol açan sülfid iyonlarının oksidasyonuna neden olur. Yakın zamanda yapılan çalışmalar gösteriyor ki, bir fotokatalizör üzerinde kontrollü kalınlıkta PDA kaplamaları, güneş enerjisi için dönüşüm verimliliğini ve fotostabiliteyi artırabilir. Ancak şimdiye kadar, ZnS/PDA arayüzündeki fiziko kimyasal değişiklikleri ele alan hiçbir çalışma yapılmamıştır. Bu nedenle, ZnS’nin fotokatalitik performansının PDA bağlanması üzerindeki etkisini incelemek istedik.”
Bilim insanları PDA kaplamalı ZnS nanokatalizörlerini, ZnS nanoçubuklar üzerine dopamin kaplamak için polimerizasyon vasıtası ile ürettiler ve üç farklı PDA kalınlığından (1.2 nm (ZnS/PDA1), 2.1 nm (ZnS/PDA2), and 3.5 nm (ZnS/PDA3)) numuneler oluşturmak için polimerizasyon periodunu değiştirdiler. Sonrasında bu numunelerin fotokatalitik performansını, simüle edilmiş güneş ışığı aydınlatması altında hidrojen üretimlerini görüntüleyerek ölçtüler.
ZnS/PDA1 katalizörü, en yüksek hidrojen üretim oranını gösterdi ve bu katalizörü ZnS/PDA2, kaplamasız ZnS ve ZnS/PDA3 katalizörleri izledi. Takım, ZnS/PDA2 ve ZnS/PDA3 katalizörlerinin düşük performansını daha kalın PDA kaplamaları tarafından daha fazla ışık absorpsiyonuna bağladı, bu da ZnS’ye ulaşan ışığın miktarını azalttı ve uyarılmış yük taşıyıcılarının yüzeye ulaşmasını engelledi; fakat tersine, kaplamasız ZnS fotokorozyona uğramıştır.
Gözlemlenen iyileştirmelerde elektronik yapının rolünü anlamak için bilim insanları, numunelerin emisyon ve imha spektrumlarının, yoğunluk fonksiyonel teorisi hesaplamalarını kullanarak ölçümlerini yaptılar. Artan emilimin, ZnS üzerinde oluşan Zn-O veya O-Zn-S kabuklarından ve değerlik bandına yakın enerji seviyelerinin (elektronlarla dolu en yüksek atomik seviye) “delikleri” kabul edebilen oluşumundan kaynaklandığını ortaya çıkardı (elektron yokluğu). Hesaplamalar, ZnS/PDA’nın yüzeydeki yük taşıyıcılarının, taşınmasını ve ayrılmasını kolaylaştıran benzersiz bir “çift kademeli” elektronik yapıya sahip olduğunu gösterdi. Geliştirilmiş dayanıklılık, PDA’nın değerlik durumlarındaki deliklerin düşük oksidatif kapasitesinden kaynaklanıyordu.
Doktor Kim ve takımı, kullandıkları tekniğin daha geniş uygulamalarından umutlu. Doktor Kim, “çalışmamızda kullandığımız polidopamin kaplama, diğer selenid, borid ve tellurid bazlı katalizör gruplarına da uygulanabilir” şeklinde yorumladı.
Geleceğin gerçeği gerçekten de hidrojen olabilir.
Kaynak: phys.org
