Ηλιακά φωτοενεργά υλικά για παραγωγή υδρογόνου και επεξεργασία νερού

Το ηλιακό φωτοενεργό υλικό όπως το TiO2 έχει ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε φωτοβολταϊκά στοιχεία (PV), παραγωγή υδρογόνου, επεξεργασία νερού και πολλά άλλα.

Η ζήτηση για ανανεώσιμες πηγές ενέργειας αυξάνεται μέρα με τη μέρα λόγω της φιλικής της φύσης, της ατελείωτης πηγής και της οικονομικής αποδοτικότητάς της. Διάφορα ανανεώσιμα καύσιμα είναι διαθέσιμα στη φύση και μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την παραγωγή ενέργειας. Ωστόσο, το καύσιμο υδρογόνου είναι το πιο αποδοτικό όσον αφορά το ενεργειακό περιεχόμενο και την επίδραση της ρύπανσης. Το υδρογόνο παράγεται με διάφορες μεθόδους, π. διάσπαση νερού και μετατροπή βιομάζας. Ένας καταλύτης TiO2 ενεργοποιείται παρουσία ακτινοβολίας UV και παράγει υδρογόνο μέσω φωτοκαταλυτικής διάσπασης νερού [1]. Η διάσπαση νερού με χρήση ηλιακών φωτοβολταϊκών κυψελών είναι επίσης πολύ δημοφιλής.

Το νερό είναι ένας ανεκτίμητος φυσικός πόρος. Το νερό μολύνεται από διάφορα βιομηχανικά λύματα. Αυτά τα λύματα μπορούν να υποστούν επεξεργασία και να ανακυκλωθούν για περαιτέρω χρήση. Η ανακύκλωση του νερού μειώνει την κατανάλωση γλυκού νερού καθώς και τη ρύπανση του περιβάλλοντος. Η προηγμένη διαδικασία οξείδωσης (χρησιμοποιώντας ακτινοβολία TiO2 και UV) είναι μια πολύ δημοφιλής μέθοδος για την επεξεργασία των λυμάτων. Αυτή η διαδικασία UV/TiO2 οξειδώνει τους ρύπους και παράγει λιγότερο τοξικά τελικά προϊόντα [2].

Και για τις δύο προαναφερθείσες μεθόδους, ο φωτοκαταλύτης TiO2 χρησιμοποιεί ακτινοβολία UV για τη δραστηριότητά του. Αυτός ο φωτοκαταλύτης έχει διάκενο ζώνης 3,2 eV. Επομένως θα ενεργοποιηθεί παρουσία υπεριώδους φωτός. Πρέπει να χρησιμοποιήσουμε τεχνητή πηγή υπεριώδους ακτινοβολίας, καθώς η ηλιακή ακτινοβολία περιέχει ένα πολύ μικρό κλάσμα UV. Η χρήση του ορατού φωτός είναι απαραίτητη για την οικονομική λειτουργία αυτών των διεργασιών. Ως εκ τούτου, έχει διεξαχθεί τεράστια έρευνα για την ανάπτυξη ενός φωτοκαταλύτη TiO2 ορατού φωτός/ενεργού από τον ήλιο [3].

Η φωτοκαταλυτική δραστηριότητα του TiO2 εξαρτάται από διάφορους παράγοντες όπως δομικές, μορφολογικές και οπτικές ιδιότητες. Σε μια μελέτη από τους Singh και Dutta, μια διαδικασία sol-gel χρησιμοποιείται για τη σύνθεση TiO2. Ο σωστός έλεγχος των παραμέτρων της διεργασίας κατά τη διάρκεια της διαδικασίας σύνθεσης ενίσχυσε την ποιότητα του TiO2 καθώς η κρυσταλλικότητα και η επιφάνεια διαδραματίζουν ζωτικό ρόλο στη συνολική απόδοση του καταλύτη. Η θερμοκρασία φρύξης και το pH ελέγχονται για να ληφθεί το βέλτιστο μέγεθος σωματιδίων και μέγεθος κρυστάλλου [3]. Το σχήμα 1. δείχνει ότι ο ρυθμός συσσωμάτωσης είναι διαφορετικός σε διαφορετικές θερμοκρασίες. Το συντιθέμενο TiO₂ Η σκόνη αποτελείται από λεπτά σωματίδια και έδειξε χαμηλότερο ρυθμό συσσωμάτωσης που αυξάνεται κατά την περαιτέρω πύρωση σε υψηλότερες θερμοκρασίες.

Σύνθεση μικτού/συν-καταλύτη TiO2 και ντόπινγκ διαφόρων μεταλλικών και μη μεταλλικών ουσιών βελτιώνουν τις οπτικές και ηλεκτρονικές ιδιότητες του φωτοκαταλύτη TiO2 [4]. Ο συν-καταλύτης και το ντόπινγκ μπορούν να αλλάξουν το χάσμα ζώνης του καταλύτη TiO2. Για το σκοπό αυτό απαιτείται σωστή επιλογή συν-καταλύτη και ειδών ντόπινγκ.

Ο χαρακτηρισμός του καταλύτη είναι σημαντικός αφού επιβεβαιώνει την απόδοση του καταλύτη προσδιορίζοντας τη σύνθεση, τις ιδιότητες των κρυστάλλων, την ενέργεια του κενού ζώνης, το μέγεθος σωματιδίων, την επιφάνεια κ.λπ. Ο χαρακτηρισμός γίνεται με διάφορες μεθόδους όπως XRD, FE-SEM, UV-vis φασματοσκοπία, FTIR, φασματοσκοπία Raman και επιφάνεια BET [3].

Η ενεργειακή κρίση και η ρύπανση των υδάτων θα μειωθούν με τη χρήση υλικών όπως οι καταλύτες με βάση το TiO2 και το TiO2.

Αυτά τα ευρήματα περιγράφονται στο άρθρο με τίτλο Σύνθεση και χαρακτηρισμός ηλιακών φωτοενεργών νανοσωματιδίων TiO2 με βελτιωμένες δομικές και οπτικές ιδιότητες, που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο περιοδικό Advanced Powder Technology. Αυτή η εργασία διεξήχθη από τους Rohini Singh και Suman Dutta από το Indian Institute of Technology (ISM), Dhanbad.

Αναφορές

1. Suman Dutta; Ανασκόπηση για την παραγωγή, αποθήκευση υδρογόνου και τη χρήση του ως ενεργειακού πόρου. Journal of Industrial and Engineering Chemistry 20(4) 2014, 1148–1156
2. S. Dutta, S.A. Parsons, C. Bhattacharjee, P. Jarvis, S. Datta, S. Bandyopadhyay; Κινητική μελέτη προσρόφησης και φωτο-αποχρωματισμού του Reactive Red 198 σε επιφάνεια TiO2. Chemical Engineering Journal 155 (2009) 674–679
3. Rohini Singh, Suman Dutta; Σύνθεση και χαρακτηρισμός ηλιακών φωτοενεργών νανοσωματιδίων TiO2 με βελτιωμένες δομικές και οπτικές ιδιότητες. Advanced Powder Technology 29(2) 2018, 211-219
4. Rohini Singh, Suman Dutta; Ανασκόπηση της παραγωγής Η2 μέσω φωτοκαταλυτικών αντιδράσεων με χρήση καταλυτών υποβοηθούμενων από TiO2/TiO2. Fuel 220(2018) 607-620