Fotokemična fiksacija dušika - odpira nove vidike v smeri trajnostne energetske prihodnosti

LASERPORACIJA (Junij 2019).

Anonim

Kako lahko fotokatalizator pretvori dušik v amonijak z vodo in svetlobo? Raziskovalci iz Kitajske in Singapurja so z mednarodnim sodelovanjem preučili najsodobnejšo inženirstvo fotokatalizatorjev za fiksiranje dušika (N2) v smeri razumevanja sinteze amoniaka (NH3). Delo je bilo objavljeno v Materials Horizons.

N2 je eden od najbolj bogatih plinov na Zemlji, ki obsega 78 odstotkov atmosfere. Kljub temu N2 v plinastem stanju večine organizmov ne more učinkovito izkoristiti. Zato mora biti N2 "fiksiran", da bo uporaben z zlomom ultra močnih trojnih vezi N≡N, da bi ga pretvorili v obliko, ki jo lahko porabijo rastline, živali in človeška bitja. Do danes obstajajo dve tipični metodi za uresničitev fiksacije N2. Ena je naravni in bakterijski proces, drugi pa s procesom Haber-Bosch je sintetičen. V preteklih 100 letih je pretvorba N2 pripeljala do obsežne proizvodnje gnojil in zagotovila oskrbo s hrano za svetovno prebivalstvo.

"Proces Haber-Bosch uporablja visoke temperature in pritiske, kar pomeni ogromno količino (približno 2 odstotka) svetovne ponudbe oskrbe s fosilnimi gorivi. Zato predvidevamo, da alternativni proces, ki uporablja nanomateriale, ki absorbira svetlobo, da bi posnemali naravno fotosintezo v rastlinah bi lahko služil kot premik paradigme za določanje dušika, "je povedal Dr. Wee-Jun Ong, znanstveni znanstvenik na Inštitutu za raziskave materialov in tehnike (IMRE).

"V primerjavi s termokemičnim katalitičnim procesom umetna fotosinteza velja za trajnostno pot pri shranjevanju obnovljive sončne energije v obliki energijsko gostih kemičnih izdelkov, " je dejal Ong. "Termodinamično ne-spontano reakcijo lahko dosežemo s kombinacijo delitve vode in zmanjšanja N2 nad fotokatalizatorjem ob prisotnosti sončne svetlobe, " je pojasnil.

V nedavnem dokumentu, ki se pojavlja v Materials Horizons, Ong in njegovi kolegi predstavljajo poročilo o napredku fotokatalitičnega določanja N2, ki ga seveda izzove delovanje mikrobov. "Razvrščamo fotokatalizatorje na osnovi kemičnih sestavin, ki segajo od kovinskega oksida do kovinskega sulfida, bizmutov oksihalidov, ogljikovih nanomaterialov in drugih potencialnih materialov. Poudarjamo pomembnost in povezavo med spremembo, npr. Nanoarhitekturo, kristalno fasetno tehniko, doping in heterostrukturiranje - in vplivi na fotokatalitsko aktivnost načrtovanih katalizatorjev, "pravi Xingzhu Chen, prvi avtor časopisa, ki povzema ugotovitve.

"Sodeč po obstoječi literaturi v tej raziskovalni platformi v tem trenutku bi bili računalniško podprti katalizatorji, zasnovani s kvantno-kemičnimi izračuni za N2 fotofiksacijo, robustno orodje za simuliranje elektronskih stanj in reakcijskih poti v smeri odlične absorpcije sončne svetlobe in selektivne zmogljivosti katalize, "Je dejal Ong.

Čeprav obstajajo številni dejavniki, ki ovirajo cepitev in hidrogeniranje N2, so reakcijske razmere v preteklih letih postale blažljive, vidna svetloba pa se postopoma sprejema kot dušik in svetlobni vir namesto čistega dušika in ultravijoličnega (UV) sevanja. Vendar so vpogled v mehanizem fotokatalitskih reakcij kljub zapletenosti reakcije fiksacije N2 do zdaj nezadostni. "Napredne tehnike karakterizacije in situ ali operando so potrebne za preučitev atomskih vpogledov v reaktivnosti in za razumevanje dinamike nosilcev polnjenja vzbujanega stanja", je dejal Ong.

Kaj je naslednje? Raziskovalci upajo, da bodo prevedli z laboratorijskega nivoja na industrijske aplikacije in povečali donos katalizatorjev ob ohranjanju notranjih struktur za komercializacijo obnovljivega amoniaka.

Dr. Ong je dejal: "Če pogledamo na dolgoročne možnosti, smo prepričani, da bo naše delo pomenilo pomembno podlago za naslednjo raziskovalno obdobje, ne samo v fotokatalitični fiksaciji N2, temveč tudi na interdisciplinarnih področjih kemije, znanosti o materialih, pretvorba energije in shranjevanje energije. "

Poleg sončne N2 fiksacije Dr. Ong, prof. Li in njihove ekipe iščejo pametno oblikovanje fotokatalizatorjev, ki lahko s pomočjo eksperimentalnih in računskih analiz naredijo delitev H2O in zmanjšanje CO2 bolj učinkovito in trajnostno s pomočjo sončne energije. Delo na pretvorbi sončne energije v energijo je v teku.

menu
menu