Porous mesoscopic assemblies of spinel chalcogenide and transition metal phosphide nanoparticles for photocatalytic energy conversion applications
Authors: Ανδρέου Ευάγγελος 
Published: July 2024

Η συνεχής αύξηση της κατανάλωσης ορυκτών καυσίμων για την κάλυψη των αυξανόμενων ενεργειακών αναγκών αποτελεί μια σημαντική περιβαλλοντική απειλή λόγω του μεγάλου όγκου εκπομπών ρυπογόνων αερίων στην ατμόσφαιρα. Ενώ είναι σαφές ότι οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας πρέπει να αντικαταστήσουν ένα μεγάλο μέρος των ορυκτών καυσίμων, οι υπάρχουσες μέθοδοι παραγωγής ενεργείας από ανανεώσιμες πηγές στερούνται υψηλή απόδοσης και εξακολουθούν να μολύνουν το περιβάλλον. Η φωτοκαταλυτική διάσπαση του νερού προς παραγωγή υδρογόνου είναι μια χαμηλού κόστους τεχνική, η οποία παρέχει υψηλή απόδοση μετατροπής της ηλιακής σε χημική ενεργεία με μηδενική εκπομπή αερίων ρύπων. Τις τελευταίες δεκαετίες, οι ερευνητικές προσπάθειες έχουν οδηγήσει στην ανάπτυξη ενός μεγάλου αριθμού φωτοκαταλυτικών υλικών, συμπεριλαμβανομένων οξειδίων μετάλλων, χαλκογονιδίων, νιτριδίων και πολλά άλλα. Παρά τη σημαντική πρόοδο στη σύνθεση φωτοκαταλυτών, οι τρέχουσες συνθετικές μέθοδοι συχνά αποτυγχάνουν να παρέχουν ακριβή έλεγχο των ηλεκτροχημικών ιδιοτήτων, της μορφολογίας και του μεγέθους των σωματιδίων Αυτό έχει ως αποτέλεσμα τη δημιουργία υλικών με χαμηλή φωτοκαταλυτική απόδοση. Στην παρούσα διατριβή, παρουσιάζουμε ένα νέο, οικονομικά αποδοτικό και φιλικό προς το περιβάλλον συνθετικό πρωτόκολλο για την ανάπτυξη μεσοπορωδών πλεγμάτων από συνδεδεμένους νανοκρυστάλλους θειοσπινελίου, τα οποία χρησιμεύουν ως ευέλικτα δομικά στοιχεία. Η συγκεκριμένη συνθετική μέθοδος παρέχει ακριβή ελέγχο του μεγέθους των ανόργανων δομικών μονάδων, κάτι που είναι ιδιαίτερα επωφελές για εφαρμογές φωτοκαταλυτικής μετατροπής ενεργείας. Αυτός ο έλεγχος επιτρέπει τον βέλτιστο σχεδιασμό των οπτικών και ηλεκτροχημικών ιδιοτήτων των φωτοκαταλυτών. Συγκεκριμένα, χρησιμοποιώντας μια απλή διαδικασία αυτο-συναρμολόγησης με πρότυπο πολυμερές, οι νανοκρύσταλλοι θειοσπινελίου οργανώνονται σε τρισδιάστατα (3D) μεσοπορώδη πλέγματα με μεγάλη εσωτερική επιφάνεια και ομοιόμορφους μεσοπόρους. Αυτή η μοναδική δομική διάταξη οδηγεί σε βελτιωμένες ιδιότητες μεταφοράς φορτίου και καλύτερη διάχυση του ηλεκτρολύτη μεταξύ των νανοσωματιδίων. Λόγω αυτών των εξαιρετικών χαρακτηριστικών, αυτά τα μεσοπορώδη υλικά μελετήθηκαν ως δυνητικοί φωτοκαταλύτες για τη διάσπαση του νερού προς παραγωγή καθαρού υδρογόνου. Επιπρόσθετα, με την κατάλληλη επιλογή συγκαταλυτών όπως Ni2P, Co2P και β-Ni(OH)2, εξετάστηκε η επίδραση τους στις διαδικασίες μεταφοράς φορτίου και την κινητική των ηλεκτροχημικών αντιδράσεων στα σύνθετα υλικά. Χρησιμοποιώντας έναν συνδυασμό φασματοσκοπικών και (φωτο)ηλεκτροχημικών τεχνικών, διαπιστώσαμε ότι ο σχηματισμός νανο-ετεροδομών θειοσπινελίου/φωσφιδίου μετάλλου/υδροξειδίου ενισχύει σημαντικά την ικανότητα διαχωρισμού και μεταφοράς των φωτοπαραγόμενων φορέων, οδηγώντας σε υψηλή φωτοκαταλυτική σταθερότητα και αποτελεσματικότητα. Αξιοσημείωτο είναι ότι παρούσες αποδόσεις υπερβαίνουν αυτές που αναφέρθηκαν στο παρελθόν για παρόμοια φωτοκαταλυτικά συστήματα πολλαπλών συστατικών υψηλής απόδοσης. Αυτή η ερευνητική εργασία προτείνει μια καινοτόμο συνθετική προσέγγιση για τον ορθολογικό σχεδιασμό φωτοκαταλυτών και συνεισφέρει στην κατανόηση της λειτουργίας προηγμένων φωτοκαταλυτικών συστημάτων επόμενης γενιάς για εφαρμογές μετατροπής ενέργειας. Ρίχνοντας φως σε βασικές πτυχές της ανόργανης συνθετικής χημείας, της μηχανικής διεπιφανειών και των φωτοχημικών αντιδράσεων, τα ευρήματα αυτής της εργασίας συνεισφέρουν σημαντικά στην ευρύτερη ερευνητική προσπάθεια για την ανάπτυξη τεχνολογιών βιώσιμης ενέργειας.