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Sincronização de excitações periódicas de fotocatalisadores com um interferômetro de Michelson em operando Espectroscopia FT-IR, pesquisadores liderados por Toshiki Sugimoto tiveram sucesso em observar e identificar as espécies de elétrons reativos para a evolução fotocatalítica do hidrogênio. Em contraste com a crença tradicional, este estudo demonstra que não os elétrons livres em cocatalisadores metálicos, mas os elétrons presos na periferia dos cocatalisadores contribuem diretamente para a fotocatálise.
Desde a descoberta da evolução fotoeletroquímica do hidrogênio por Honda e Fujishima em 1972, a fotocatálise heterogênea tem sido intensamente investigada e ainda é um tópico quente na ciência e tecnologia. Em particular, a compreensão de espécies de elétrons reativos e sítios de reação ativos na reação de redução fotocatalítica são vitais para projetar e fabricar catalisadores inovadores com atividade de evolução aprimorada do hidrogênio como portador de energia sustentável.
No entanto, apesar de sua importância fundamental, a compreensão microscópica da fotocatálise continua sendo uma questão altamente desafiadora devido a uma dificuldade inerente em observar experimentalmente e extrair sinais espectroscópicos fracos originários de espécies de elétrons reativos fotoexcitados. Isso se deve predominantemente ao inevitável incremento de temperatura para amostras de catalisador sob condições reais de reação fotocatalítica mediante irradiação contínua de fótons. Nesse caso, os sinais fracos derivados de espécies de elétrons reativos fotoexcitados são prontamente sobrepujados por intensos sinais de fundo originários de elétrons não reativos termicamente excitados.
Pesquisadores (Dr. Hiromasa Sato e Prof. Toshiki Sugimoto) do Institute for Molecular Science / The Graduate University for Advanced Studies, SOKENDAI conseguiram suprimir significativamente os sinais derivados de elétrons termicamente excitados e observar os elétrons reativos fotogerados contribuindo para a evolução fotocatalítica do hidrogênio. Tal inovação foi alcançada por um novo método baseado na sincronização das excitações periódicas de milissegundos de fotocatalisadores com um interferômetro de Michelson usado para espectroscopia FT-IR.
Esta demonstração foi alcançada para fotocatalisadores de óxido carregados com metal sob condições de reforma de metano a vapor e divisão de água. Embora tenha sido convencionalmente acreditado por muito tempo que cocatalisadores de metal carregados funcionam como sumidouros para elétrons fotogerados reativos e locais ativos para reações de redução, eles descobriram que as espécies de elétrons livres nos cocatalisadores de metal não estavam diretamente envolvidas na reação de redução fotocatalítica. Alternativamente, os elétrons superficialmente presos nos estados in-gap dos óxidos contribuíram para aumentar a taxa de evolução do hidrogênio após o carregamento de cocatalisadores de metal. A abundância de elétrons nos estados in-gap, especialmente estados de superfície semicondutora induzidos por metal, foi claramente correlacionada à atividade de reação, sugerindo que tais estados de superfície semicondutora induzidos por metal formados na periferia do cocatalisador de metal desempenham papéis importantes na evolução fotocatalítica do hidrogênio.
Essas percepções microscópicas mudam um paradigma sobre o papel tradicionalmente acreditado dos cocatalisadores metálicos na fotocatálise e fornecem uma base fundamental para o design racional das interfaces do complexo metal/óxido como plataformas promissoras para a evolução não térmica do hidrogênio. Além disso, a nova abordagem de operando A espectroscopia infravermelha é amplamente aplicável a vários outros sistemas de reação catalítica e materiais acionados pelo auxílio de fótons e/ou campo elétrico/potencial externo. Portanto, a nova abordagem teria grande potencial para descobrir fatores-chave ocultos para melhorar o desempenho do catalisador em direção à inovação de tecnologia de energia ambientalmente amigável para a sociedade sustentável da próxima geração.
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