A catálise piroelétrica (pirocatálise) pode converter flutuações de temperatura ambiental em energia química limpa, como o hidrogênio. No entanto, em comparação com a estratégia de catálise mais comum, como a fotocatálise, a pirocatálise é ineficiente devido às mudanças lentas de temperatura no ambiente. Recentemente, uma equipe co-liderada por pesquisadores da City University of Hong Kong (CityU) desencadeou uma reação pirocatalítica significativamente mais rápida e eficiente usando fontes de calor plasmônicas localizadas para aquecer rápida e eficientemente o material pirocatalítico e permitir que ele resfrie. baixa. As descobertas abrem novos caminhos para catálise eficiente para aplicações biológicas, tratamento de poluentes e produção de energia limpa.
A pirocatálise refere-se à catálise desencadeada por cargas superficiais em materiais piroelétricos induzidas por flutuações de temperatura. É uma técnica de catálise verde e autoalimentada, que coleta energia térmica residual do ambiente. Tem atraído cada vez mais atenção na produção de energia limpa e na geração de espécies reativas de oxigênio, que podem ser usadas posteriormente para desinfecção e tratamento de corantes.
No entanto, a maioria dos materiais piroelétricos atualmente disponíveis não são eficientes se a temperatura ambiente não mudar muito ao longo do tempo. Como a taxa de variação da temperatura ambiente é frequentemente limitada, uma forma mais viável de aumentar a eficiência pirocatalítica é aumentar o número de ciclos de temperatura. Mas é um grande desafio conseguir vários ciclos térmicos no pirocatalisador em um curto intervalo de tempo usando métodos de aquecimento convencionais.
Desafio de múltiplos ciclos térmicos
Uma equipe de pesquisa co-liderada pelo Dr. Lei Dangyuan, professor associado do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais (MSE) da CityU, superou recentemente esse obstáculo usando uma nova estratégia de combinação de materiais piroelétricos e o efeito termoplasmônico localizado de nanomateriais de metais nobres. .
As nanoestruturas plasmônicas, que suportam a oscilação coletiva de elétrons livres, podem absorver a luz e convertê-la rapidamente em calor. Seu tamanho em nanoescala permite mudanças de temperatura rápidas e eficazes dentro de um volume confinado, sem perda significativa de calor para o ambiente circundante. Consequentemente, o calor localizado gerado pelas nanoestruturas termoplasmônicas pode ser facilmente ajustado e ligado ou desligado por irradiação de luz externa dentro de um intervalo de tempo ultracurto.
Em seus experimentos, a equipe selecionou um material pirocatalítico típico, chamado titanato de bário (BaTiO3) nanopartículas. O BaTiO parecido com um coral3 as nanopartículas são decoradas com nanopartículas de ouro como fontes de calor plasmônico; as nanopartículas de ouro podem converter os fótons diretamente de um laser pulsado em calor. Os resultados do experimento demonstraram que as nanopartículas de ouro atuam como uma fonte de calor localizada rápida, dinâmica e controlável sem elevar a temperatura ambiente, o que aumenta de forma proeminente e eficiente a taxa geral de reação pirocatalítica do BaTiO3 nanopartículas.
Nanopartículas de ouro como fonte de calor localizada
Por meio dessa estratégia, a equipe alcançou uma alta taxa de produção de hidrogênio pirocatalítico, acelerando o desenvolvimento de aplicações práticas de pirocatálise. Os nanorreatores piroelétricos plasmônicos demonstraram uma taxa de produção de hidrogênio pirocatalítico acelerada de cerca de 133,1±4,4µmol·g-1·h-1 através de aquecimento e resfriamento local termoplasmônico sob irradiação de um laser de nanossegundo no comprimento de onda de 532nm.
Ademais, a taxa de repetição do laser de nanossegundos usado no experimento foi de 10 Hz, o que significa que 10 pulsos de luz foram irradiados no catalisador por segundo para atingir 10 ciclos de aquecimento e resfriamento. Isso implica que, aumentando a taxa de repetição do pulso do laser, o desempenho catalítico piroelétrico pode ser melhorado no futuro.
A equipe de pesquisa acredita que os resultados de seus experimentos abriram uma nova abordagem para melhorar a pirocatálise ao projetar um sistema composto piroelétrico inovador com outros materiais fototérmicos. Este progresso substancial tornará mais viável a futura aplicação da pirocatálise no tratamento de poluentes e na produção de energia limpa.
Com informações de Science Daily.