新しいタイプの可視化

2023 年 8 月 28 日

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ヨハネスブルグ大学著

ヨハネスブルグ大学の研究者らは、太陽光スペクトルの可視部分を利用する新しいタイプの光触媒を開発した。 現在、経済的で環境に優しい光触媒は、太陽光の UV スペクトルのみを「使用」しています。たとえば、一般的に使用されている二酸化チタンやその他の同等品です。

この研究は、Journal of Science: Advanced Materials and Devices に掲載されています。

光触媒は、このような特有の光触媒特性を備えた初めての三成分系光触媒です。 ほぼ 90% が経済的な既製の成分で構成されており、資源に制約のある研究室でも大規模に製造できるほど簡単です。

他の研究研究では、貴金属パラジウム (Pd) を含む光触媒が記載されており、これは太陽光の可視スペクトルも「使用」します。

対照的に、この研究の光触媒は、少量の遷移金属炭化物であるニオブを使用して、MXene として知られるナノマテリアルである 3 番目の成分を調製します。

炭化ニオブ MXene は、水素の生成や二酸化炭素の価値ある製品への変換など、幅広い光触媒用途に使用されています。

粉末状の光触媒は、高温、湿度、化学的変化の下でも非常に安定です。

大量の工業プロセスでのエネルギー使用量を削減するのは難しい場合があります。 しかし、消費される電気エネルギーの大部分が太陽によって「ひっくり返される」可能性があるとしたらどうなるでしょうか?

光触媒は、太陽光やその他の光によって「スイッチを入れる」ことができます。 これらは化学プロセスを桁違いに促進することができます。 これらの触媒は、さまざまなエネルギー生成および環境解毒産業で使用される可能性を示します。

しかし、落とし穴があります。 現在、効果の高い光触媒は非常に高価になる傾向があります。 作るのも難しくて危険ですらあります。

光触媒のコストの主な要素は、プラチナ、パラジウム、金などの金属です。 光触媒に金属を使用することは、環境の観点からも好ましくありません。

もう 1 つの問題は、現在のほとんどの光触媒は、地表に到達する太陽​​光エネルギーの 5% にすぎない紫外線にさらされると、主に「スイッチがオン」になる傾向があることです。

一方、可視光は利用可能な太陽光エネルギーの 45% を占め、近赤外線は残りの 50% を占めます。

研究者らが設計しテストした光触媒は、可視光スペクトルの約 3 分の 1 を利用するとランゲリレ (ンシカ) ドラミニ教授は述べています。 ドラミニは、カリフォルニア州立大学化学科の研究者です。

これを数字で表すと、紫外線スペクトル (UV) は 200 ～ 400 ナノメートルの範囲のより短い波長 (高エネルギー) を持っています。 可視太陽光線は、400 ～ 700 ナノメートルのより長い波長 (低エネルギー) を持っています。

紫外線に隣接する可視太陽光の紫、青、シアン、緑の部分が、UJ 研究者の光触媒が反応するものです。 可視光のこの低エネルギー部分も光触媒の「スイッチを入れ」、化学反応を開始します。

「光触媒は励起され、420 ​​～ 520 ナノメートルの波長範囲で望ましくない電子と正孔の再結合率が低くなります。これは、統合された材料の独自の構造設計によるものです」と Dlamini 氏は述べています。

「これは、光触媒がその効率に応じて、利用可能な太陽エネルギーのさらに 15% に反応して化学プロセスを開始できる必要があることを意味します」と彼は言います。