تبدیل نوسانات دما به انرژی پاک با نانوذرات

به گزارش گروه دانشگاه خبرگزاری دانشجو، کاتالیزور‌های پیروالکتریک (پیروکاتالیست) می‌تواند نوسانات دمای محیطی را به انرژی شیمیایی تمیز مانند هیدروژن تبدیل کند. با این حال، در مقایسه با کاتالیست‌های رایج‌تر، مانند فوتوکاتالیست و پیرو کاتالیست به دلیل تغییرات آهسته دما در محیط محیط، کاتالیزور‌های پیروالکتریک ناکارآمد هستند.

به تازگی، تیمی که توسط محققان در دانشگاه سیتی هنگ کنگ (CityU) هدایت می‌شود، یک واکنش سریع‌تر و کارآمد‌تر پیرو کاتالیزوری با استفاده از منابع گرمای پلاسمونی موضعی برای گرم کردن سریع و کارآمد مواد پیرو کاتالیزوری ارائه کرده است. این یافته‌ها راه‌های جدیدی را برای کاتالیزور‌های کارآمد برای کاربرد‌های زیستی، تصفیه آلاینده‌ها و تولید انرژی پاک باز می‌کند.

کاتالیزور‌های پیروالکتریک به کاتالیست‌های ناشی از بار‌های سطحی در مواد پیرو الکتریک حاصل از نوسانات دما اشاره دارد. این یک روش کاتالیزوری سبز است که انرژی حرارتی را از محیط زیست برداشت می‌کند. این امر در تولید انرژی پاک و تولید گونه‌های اکسیژن فعال، توجه زیادی را به خود جلب کرده است، که می‌تواند بیشتر برای ضدعفونی و تصفیه رنگ‌ها مورد استفاده قرار گیرد.

با این حال، اگر دمای محیط به مرور زمان تغییر نکند، بیشتر مواد پیرو الکتریک موجود کارآمد نیستند. از آنجا که میزان تغییر دمای محیط اغلب محدود است، یک روش مناسب‌تر برای افزایش راندمان پیرو کاتالیزور‌ها افزایش تعداد چرخه‌های دما است. اما دستیابی به چرخه‌های حرارتی متعدد در کاتالیزور‌های پیروالکتریک در یک بازه زمانی کوتاه با استفاده از روش‌های گرمایش معمولی یک چالش بزرگ است.

یک تیم تحقیقاتی به رهبری دکتر لی دانگوان، استادیار گروه علوم و مهندسی مواد (MSE) در Cityu با استفاده از راهبرد جدید ترکیب مواد پیرو الکتریک و اثر ترموپلاسمونی موضعی از فلز نجیب بر این مانع غلبه کرده است.

نانوساختار‌های پلاسمونی، که از نوسانات جمعی الکترون‌های آزاد پشتیبانی می‌کنند، می‌توانند نور را جذب کرده و به سرعت آن را به گرما تبدیل کنند. اندازه نانوذرات اجازه می‌دهد تا تغییر سریع دما در یک حجم محدود، بدون از دست دادن قابل توجه گرما به محیط اطراف صورت گیرد. در نتیجه، گرمای موضعی تولید شده توسط نانوساختار‌های حرارتی پلاسمونیک را می‌توان به راحتی تنظیم کرد و با تابش نور خارجی در یک بازه زمانی بسیار کوتاه روشن یا خاموش کرد.

این تیم در آزمایشات خود، یک ماده معمولی پیروکاتالیزوری به نام نانوذرات باریم تیتانات (Batio ۳) را انتخاب کردند. نانوذرات باریم تیتانات با نانوذرات طلا به عنوان منابع گرمای پلاسمونی تزئین شد اند. نانوذرات طلا می‌توانند فوتون‌ها را مستقیماً از لیزر پالسی به گرما تبدیل کنند. نتایج آزمایش‌ها نشان داد که نانوذرات طلا به عنوان یک منبع گرمای موضعی سریع، پویا و قابل کنترل بدون افزایش دمای اطراف عمل می‌کنند، که به طور برجسته و به طور مؤثر میزان واکنش کلی کاتالیزوری نانوذرات باریم تیتانات را افزایش می‌دهد.

از طریق این راهبرد، محققان به میزان تولید هیدروژن پیرو کاتالیزوری بالا دست یافتند و باعث پیشرفت کاربرد عملی پیرو کاتالیست شدند.