Convertir las fluctuaciones de temperatura en energía limpia utilizando nanopartículas novedosas y una estrategia de calentamiento

La catálisis termoeléctrica (termocálisis) puede convertir las fluctuaciones de la temperatura ambiental en energía química limpia, como el hidrógeno. Sin embargo, en comparación con la estrategia de catálisis más común, como la fotocatálisis, la catálisis térmica es ineficiente debido a los lentos cambios de temperatura en el entorno circundante. Recientemente, un equipo codirigido por investigadores de la Universidad de la Ciudad de Hong Kong (CityU) lanzó una reacción termocatalítica más rápida y eficiente utilizando fuentes de calor plasmónicas locales para calentar rápida y eficientemente el termocatalizador y permitir que se enfríe. más bajo Los hallazgos abren nuevos horizontes para la catálisis eficiente para aplicaciones biológicas, remediación de contaminantes y producción de energía limpia.

La termocatálisis se refiere a la estimulación de cargas superficiales en materiales termoeléctricos causadas por fluctuaciones de temperatura. Se trata de una tecnología de catálisis autoalimentada y respetuosa con el medio ambiente, que aprovecha la energía térmica residual del medio ambiente. Ha atraído un interés creciente en la producción de energía limpia y la generación de especies reactivas de oxígeno, que pueden utilizarse para la desinfección y el procesamiento de tintes.

Sin embargo, la mayoría de los materiales termoeléctricos actualmente disponibles no son efectivos si la temperatura ambiente no cambia mucho con el tiempo. Dado que la tasa de cambio de la temperatura ambiental suele ser finita, la forma más factible de aumentar la eficiencia de la catálisis térmica es aumentar el número de ciclos de temperatura. Pero es muy desafiante lograr múltiples ciclos térmicos en el catalizador térmico dentro de un corto período de tiempo utilizando métodos de calentamiento convencionales.

Desafío de ciclos térmicos múltiples

Un equipo de investigación dirigido por el Dr. Li Dangyuan, profesor asociado en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales (MSE) de CityU, superó recientemente este obstáculo mediante el uso de una nueva estrategia para combinar el efecto térmico termoeléctrico y plasmónico para nanomateriales de metales nobles. .

Las nanoestructuras de plasma, que soportan la oscilación colectiva de electrones libres, pueden absorber rápidamente la luz y convertirla en calor. Su tamaño a nanoescala permite cambios de temperatura rápidos y eficientes dentro de un volumen confinado, sin pérdida significativa de calor al entorno circundante. Por lo tanto, el calor localizado generado por las nanoestructuras de termoplasma se puede ajustar y encender o apagar fácilmente mediante la irradiación de luz externa en un período de tiempo muy corto.

Para sus experimentos, el equipo eligió un material termocatalítico típico llamado titanato de bario (BaTiO₃) nanopartículas. BaTiO tipo coral₃ Las nanopartículas se decoraron con nanopartículas de oro como fuentes de calor plasmónico; Las nanopartículas de oro pueden convertir directamente los fotones del láser pulsado en calor. Los resultados del experimento muestran que las nanopartículas de oro actúan como una fuente de calor localizada rápida, dinámica y controlable sin elevar la temperatura ambiente, lo que aumenta significativa y efectivamente la velocidad de reacción termocatalítica general de BaTiO.₃ nanopartículas.

Nanopartículas de oro como fuente de calor local

Con esta estrategia, el equipo logró una alta tasa de producción de hidrógeno termocatalítico, lo que ha acelerado el desarrollo de una aplicación práctica de la termocatálisis. Los nanorreactores plasmónicos termoeléctricos mostraron una tasa acelerada de producción de hidrógeno termocatalítico de aproximadamente 133,1 ± 4,4 μmol g h a través del calentamiento y enfriamiento plasmónico térmico localizado bajo irradiación láser de nanosegundos con una longitud de onda de 532 nm.

Además, la tasa de repetición del láser de nanosegundos utilizado en el experimento fue de 10 Hz, lo que significa que se irradiaron 10 pulsos de luz sobre el catalizador por segundo para lograr 10 ciclos de calentamiento y enfriamiento. Esto significa que al aumentar la tasa de repetición de los pulsos de láser, se puede mejorar el rendimiento electrocatalítico en el futuro.

El equipo de investigación cree que los resultados de su experimento han abierto un nuevo enfoque para mejorar la catálisis térmica mediante el diseño de un innovador sistema compuesto termoeléctrico con otros materiales fototérmicos. Este importante avance hará más factible la futura aplicación de la catálisis térmica en el procesamiento de contaminantes y la producción de energía limpia.