שיתוק heterogeneous עומד בחזית הכימיה בת קיימא, המציע מסלול ישיר להמיר אנרגיה סולארית לאנרגיה כימית. על ידי מינוף חומרים מוליכים למחצה ליזום תגובות Redox תחת תאורה קלה, שדה זה מתייחס לאתגרים קריטיים בייצור אנרגיה ירוקה, כולל דור מימן נקי, השפלה מזוהמת, ונדליזציה פחמן דו חמצני שנים האחרונות יש עדים להתקדמות משמעותית בעיצוב חומרי, הבנה מכנית, עיצוב מקיף יותר של תהליך הנדסית, עיצוב זה.

התקדמות לאחרונה בחומרי Photocatalytic

מתכת Oxide

קרינת מתכת oxide oxide (TiO2) ו תחמוצת אבץ (ZnO) נחקרו זמן רב בשל יציבותם ועלות נמוכה.עם זאת, פערי הלהקה הרחבים שלהם (למשל, 3.2 eV עבור anatase TiO2) מגבילים את ספיגת האור לאזור אולטרה סגול, המהווה רק 5% של ספקטרום השמש.

פחמת הגרף (g-C3N4)

חומרים Graphitic Carbon nitride צמחו כתמונה ללא מתכת, גלויה-אקטיבית-לקקטאט עם פער של כ- 2.7V. המבנה השכבתי שלו, יציבות תרמית וכימיקלית גבוהה, וסינתזה של קוצית COSECM בשפע הופכת אותו למועמד אטרקטיבי לתהליכי אנרגיה ירוקה (DigitalC) ו- ALT2s) כדי להגביר את הביצועים שלה כוללים פיזור ל-Dolt-DNSDV, אשר רק ל-DNSFDNSDIOLGates, אשר, אשר נמצאו, אשר נמצאו כמה שיותר מתחומים אחרים, ו-DICFS, אשר הם חומרים אלה, אשר הראו תכונות קיבולת קיבולת קיבולת קיבולת קיבולת קיבולת קיבולת קיבולת של 2 קיבולת קיבולת קומפקטית:

Perovskite Photocatalysts

הליד perovskites, כגון CH3NH3PbI3 ו CsPbBr3, צבר תשומת לב לקליטת האור יוצאת הדופן שלהם וגיוסי מטען גבוהים, למרות שהם בעיקר בשימוש ב photovoltaics, הם נחקרים עבור תגובות פוטו-קטקטיות, במיוחד בהפחתה CO2 ושינויים אורגניים.

שני חומרים שונים מעבר Graphene

המשפחה של שני ממדי (2D) photocatalysts התרחבה לכלול מעבר מתכת dichalcogenides (למשל, MoS2, WS2), hydroxides כפול שכבתי, וממקסנס. חומרים אלה מציעים אזורי משטח ספציפיים, אתרי שפע, אתרי קצה בשפע, ו- Tuble Bandbles. MoS2 ננוגליונות, לדוגמה, פעילות מצוינת עבור האבולוציה כאשר אתרי אינטרנט חשופים לתבניות אלקטרו-מסטרומטרידות.

Metal-Organic Frameworks (MOFs) ו-Covalent Organic Frameworks (COFs)

מסגרות גבישיות פוריות כמו MOFs ו- COFs מספקות אזורי משטח גבוהים ואת היכולת לשלב אשכולות מתכת פוטואקטיביים או קישורים אורגניים.טבעם המודולרי שלהם מאפשר שליטה מדויקת על גודל פואר, פונקציונליות ומבנה הלהקה. רבים MOFs פועלים כמו גם פוטו-אקטיביים וגם אתרי קטליטי, המאפשרים תגובות שיזוף.

טכניקות מתפתחות ואסטרטגיות

שליטה ב-Mophology

הנדסת photocatalyst מורפולוגיה ב nanoscale משפיעה באופן דרמטי על הביצועים. High-surface-area מורולוגיות כגון nanowires, ננו-tubes, ננוגליציות, ומבנים meso ⁇ להגדיל את מספר האתרים הפעילים וקצר את הנתיב diffusion עבור מובילי מטען אל פני השטח. Precise שליטה על פני גבישים - לדוגמה, חשיפת פני אלקטרואקטיביים של ⁇ , הם בדרך של שיטות ספציפיות.

שינוי פנים עם Co-catalysts

לטעון co-catalysts כגון מתכות אציליות (Pt, Au, Pd) או חומרים Earth-abundant (MoS2, Ni(OH)2, CoOx) על פני השטח photocatalyst באופן משמעותי משפר את הפעילות. Co-catalysts לשרת תפקידים מרובים: הם מספקים אתרים פעילים עבור היווצרות מוצר, phogenerated אלקטרונים או חורים, ולהפחית מעל להפחתה של חומרים מרכזיים עבור הפחתת גודל מתכתי, כגון פיזור חומרים קריטי.

הנדסה של Heterojunction (Type-II, Z-Scheme, S-Scheme)

יצירת הירוטטורים בין שני או יותר Semiconductors היא אחת האסטרטגיות היעילות ביותר לקידום הפרדה מרחבית של נושאי מטען פוטוגניים והתרחבות ספיגת אור.סוג II heterojunctions המאפשרים אלקטרונים וחורים להגר לחומרים שונים, צמצום של אופטימיזציה מרחבית של חומרים חשמליים (DLT) עם זאת, לעתים קרובות להפחית את הפוטנציאלים של מערכות D-Zcheme, בהשראת photoynsis טבעי, לחקות את שרשרת אלקטרו-Fed כדי להשיג את ה-Secting (מחדש) באמצעות תכונות בקרה יעילה יותר).

הנדסה Defect

היכרות פגמים מבוקרים - כגון vacancies, vacancies, או הפרעת פני השטח - יכול לשנות את המבנה האלקטרוני של photocatalysts, יצירת מדינות אמצע-gap אשר משפרות ספיגת אור גלוי לשרת כמו אתרים פעילים. לדוגמה, vacancies חמצן בטיאו2 או ZnO לשפר הפרדה תשלום ולספק אתרים עבור מודעות מגיבות.

שיפור פלאסמי

שילוב plasmonic מתכת nanoparticles (למשל, Au, Ag, Cu) עם סמי מוליכים למחצה photocatalysts רותמים את החיסרון משטח המקומי כדי להגביר את קצירת האור.אפקט plasmonic לייצר שיקולים אינטנסיביים ליד שדה אלקטרומגנטי כי להגדיל את שיעור של הדור exciton ב Semiconductor הסמוך, אלקטרון חם מן plass מן pmonic עדיין יכול להיות חומר דבקה.

יישומים באנרגיה ירוקה

אספקת מים פוטו-טקליטית להפקה של מימן

הידרוג'ן שנוצר באמצעות פיזור מים פוטו-קטליטי הוא דלק נקי עם צפיפות אנרגיה גבוהה.התהליך דורש פערים למחצה שיכול לספוג אור, לייצר זוגות חד-פעמיים אלקטרו-חמצני, ומניע את התגובה של אבולוציה מימן (HER) ותגובה לאבולוציה של חמצן (OERC) בעוד שעיצובים רבים ממושכים של גשר C1, הנמצאים בו זמנית, רק על בסיס קרינת אור-אוסטרד, לעתים קרובות, בשל רמת החמצן גבוהה יותר, אוקס-או-או-חמצני, נמצאים במרחק של 2, ובאופן קבוע, על בסיס קיבולת של מים, ובטיחות, על בסיס קרינת ניקל-אוקטסט (OST) באופן קבוע, על בסיס קבוע, על בסיס 2, על בסיס קבוע, כולל של 2, כולל של מים, על בסיס קרינת אור-מנקה-מנקה-מנקה-מנקה-מנקה-מסוגל-מנקה-מנקה-מנקה-מנקה-מנקה-מנקה-ידי מערכת יעילה, היא לעתים קרובות, כולל של 2, רק על בסיס מערכת יעילה, היא לעתים קרובות, על בסיס קיבולת מלאה, על בסיס קבוע, כולל של 2, כולל של מים, כולל של 2,

צילום: Carbon Dioxide Reduction

המרת CO2 לדלקים או לכימיקלים בעלי ערך (למשל, פחמן חד תחמוצת הפחמן, מתאן, מלנול, חומצה עילאית) באמצעות כתובות אור השמש הן רמות CO2 אטמוספריות והן אחסון אנרגיה.האתגרים העיקריים כוללים את היציבות התרמודינמית של CO2 ואת הצורך להתחרות עם התגובה של מימן במערכות מבוזרות, במיוחד, כולל הפחתה חלקית של אלקטרו-קרבה.

ירידה זיהום הסביבה ושיקום סביבתי

חמצון פוטוקטליטי נשאר אחד היישומים הבוגרים ביותר, במיוחד עבור degrading אורגני אבקנים במים ובאוויר.תהליכים כמו ההשפלה של צבעים, תרופות וכימיקלים תעשייתיים להסתמך על מינים חמצן תגובתיים (רדיקל רדיקלים, superoxide) שנוצר על פני השטח. מגמות מתפתחות כוללים את השימוש בחומרים קלים-אקטיביים כדי להפחית עלויות אנרגיה, פיתוח של photoaoftraaptation עבור סימולציה קלה, בנוסף לשילוב של טיפול תרופתי, או סימולציה של סימולציה מהירה.

צילום: Nitrogen Fixation

ייצור אמוניה באמצעות תהליך Haber-Bosch הוא אנרגיה רגיש פולט כמויות גדולות של CO2. Photocatalytic חנקן תחת תנאי הסביבה מציע אלטרנטיבה ירוקה יותר, למרות דיווחים מוקדמים הראו יעילות נמוכה, התקדמות לאחרונה בחומרים עשירים פגם (למשל, חמצן עשיר ב-BOBr, או tungs dotungs do TipedO2) שיפרה את קצב ה-Nolicolware עם אתגר חזק יותר.

פרספקטיבה ואתגרים עתידיים

סקלאלה ומהנדסי תגובה

רוב הצילומים ביצועים גבוהים מאוד מוערכים בכורות אצווה בקנה מידה קטן עם מקורות אור מלאכותיים. תרגם את התוצאות אלה מערכות מעשיות דורש שיקול זהיר של הפצה אור, העברה המונית, אי-יציבות זרז, ופעולה רציפה. כורים סליורי מציעים שטח על פני השטח גבוה אבל סובלים מדלקת אור; קבוע וסיבים אופטיים יכולים לשפר את השימוש photonal, נמוך כי הם פועלים על ידי קבוצות מחקר פעיל ברחבי העולם.

יציבות ויציבות

יציבות לטווח ארוך תחת אימתות וסביבות תגובתיות נשאר מחסום מפתח.רבים photocatalysts עוברים photo-corrosion, הרעלה על פני השטח, או השפלה מבנית לאורך זמן.אסטרטגיות לשיפור יציבות כוללים ציפויים הגנה, שילוב של רכיבים אינרציה, ומנגנוני הפחתת עצמיים.לדוגמה, באמצעות גרף או שכבת פחמן על גבי חומרים לא יציבים יכול להגן עליהם מפני החיזוי אלקטרוטאלי, כולל תנאי לחץ חיים משתנים.

עלויות וכדור הארץ - יסודות בעלי יכולת

רבים מהפוטקטאליסיסטים היעילים ביותר מכילים אלמנטים נדירים או יקרים (למשל, מתכות אציליות, נתרן, גליום) לנוע לעבר חומרים מבולבלים באדמה הוא הכרחי עבור פריסה בקנה מידה גדול. Iron, ניקל, cobalt, פחמן ומערכות מבוססות חנקן הם נחקרים בר-קיימא. לדוגמה, פחמן בשילוב עם ניקל phosphide כמו co-a-traa הראותקימיקימיקימיקימי אחר של שימוש באבולוציה.

הבנה מכניסטית ו-Situ Characterization

טכניקות מתקדמות של ספקטרום ומיקרוסקופי - כולל ספקטרום ספיגת טרנזיט, פני השטח-enhanced Raman, ובקליטת רנטגן-ריי-ריי - מספקים תובנות חסרות תקדים לתוך הדינמיקה של ספקים מטען, ביניים משטח ונתיבים תגובה.Time-resolve טכניקות מסייעות לזהות צווארי בקבוק בהפרדה והעברה.מודלים של למידת מכונות הם יותר ויותר לחיזוי ביצועים ניסיוניים המבוססים על מחזור סקרים חדשים, אשר צפוי, עם מחזור חישובי חישובי מעבדה, עם מחזור חישוביים.

שילוב עם טכנולוגיות חדשניות

העתיד של אנרגיה ירוקה פוטו-קטליטית עשוי לשקר במערכות היברידיות כי זוג photocatalysis עם תאים פוטו-וולטאיים, אלקטרוליטים, או קטליזה תרמית.לדוגמה, אלקטרוליטיקה המונעת פוטו-וולטאית משיגה כיום יעילות גבוהה יותר של השמש ל-hydrogen מאשר דלקת ראייה חד-צדדית, אך שילוב רכיב פוטו-אלקטרוניקה יכול להפחית מורכבות נוספת מבטיח הוא בכיוון CODIX, שבו הוא מזרז את תגובות אלקטרו-דלקתיות (או-תזונה מקומית).

לסיכום, שיתוק heterogeneous מתפתח במהירות באמצעות חומרים חדשניים, הבנה מכניסטית מתקדמת ועיצובי כור יצירתי.בעוד אתגרים משמעותיים נשארים - במיוחד מבחינת יציבות, עלות והיקף - התחום ממשיך לייצר פריצות דרך מלהיבות שמביאות תהליכי אנרגיה ירוקה בת קיימא קרוב למציאות.המשך ההשקעה במחקר יסודי ושיתוף פעולה בין תחומי יהיה חיוני לרתום את הפוטנציאל המלא של השמש ככוח כימי.