Sincronización de la excitación periódica de fotocatalizadores con un interferómetro de Michelson Operante Utilizando espectroscopía FT-IR, los investigadores dirigidos por Toshiki Sugimoto pudieron observar e identificar las especies de electrones reactivos para la evolución fotocatalítica del hidrógeno. Contrariamente a la creencia convencional, este estudio demuestra que en la cocatálisis de metales no son los electrones libres los que contribuyen directamente a la fotocatálisis, sino los electrones atrapados en la esfera del cocatalizador.
Desde el descubrimiento de la evolución fotoelectroquímica del hidrógeno por Honda y Fujishima en 1972, la fotocatálisis heterogénea ha sido investigada intensamente y sigue siendo un tema candente en ciencia y tecnología. En particular, comprender las especies de electrones reactivos y los sitios de reacción activos en reacciones de reducción fotocatalítica es crucial para diseñar y fabricar catalizadores innovadores con actividad mejorada de evolución de hidrógeno como portadores de energía sostenibles.
Sin embargo, a pesar de su importancia fundamental, la comprensión microscópica de la fotocatálisis sigue siendo un problema muy desafiante debido a la dificultad inherente a la observación y extracción experimental de las señales espectroscópicas débiles producidas por especies de electrones reactivos fotoexcitados. Esto se debe principalmente al inevitable aumento de temperatura de las muestras de catalizador en condiciones reales de reacción fotocatalítica tras la irradiación continua de fotones. En este caso, las señales débiles de especies de electrones fotoexcitados reactivos son fácilmente abrumadas por señales de fondo fuertes de electrones no reactivos excitados térmicamente.
Los investigadores del Instituto de Ciencia Molecular/Universidad de Estudios Avanzados (Dr. Hiromasa Sato y Prof. Toshiki Sugimoto) de SOKENDAI lograron suprimir significativamente las señales de los electrones excitados térmicamente y observar que los electrones fotogenerados son los que contribuyen a la fotohidrogenación. Esta innovación se logró mediante un nuevo método basado en la sincronización de la excitación periódica de milisegundos de fotocatalizadores con un interferómetro de Michelson utilizado para la espectroscopia FT-IR.
Esta demostración se logró para fotocatalizadores de óxido cargados de metal en condiciones de reformado de metano con vapor y división de agua. Aunque durante mucho tiempo se ha creído tradicionalmente que los cocatalizadores metálicos cargados actúan como sumideros de electrones fotogenerados reactivos y como sitios activos para reacciones de reducción, descubrieron que las especies de electrones libres presentes en los cocatalizadores metálicos no estaban directamente involucradas en la reacción de reducción fotocatalítica. Alternativamente, los electrones atrapados superficialmente en estos estados huecos de los óxidos contribuyeron a mejorar la tasa de evolución de hidrógeno tras la carga de cocatalizadores metálicos. La abundancia de electrones en estos estados de brecha, especialmente en los estados de la superficie del semiconductor inducido por metal, se correlacionó claramente con la actividad de la reacción, lo que sugiere que los estados de la superficie del semiconductor inducido por el metal del cocatalizador metálico juegan un papel clave en la hidrogenación fotocatalítica. Evolución
Estos conocimientos microscópicos cambian un paradigma sobre el papel tradicionalmente creído de los cocatalizadores metálicos en la fotocatálisis y proporcionan una base fundamental para el diseño racional de interfaces complejas de metal/óxido como plataformas prometedoras para la evolución no térmica del hidrógeno. Además, nuevas perspectivas de Operante La espectroscopia infrarroja se aplica ampliamente a otros diversos sistemas de reacción catalítica y materiales impulsados por fotones y/o campo/potencial eléctrico externo. Por lo tanto, el nuevo enfoque tendrá un gran potencial para descubrir los factores clave ocultos para mejorar la eficiencia catalizadora hacia la innovación de tecnología energética respetuosa con el medio ambiente para la sociedad sostenible de próxima generación.
