نانوکاتالیست پوشش داده شده با پلیمر زیستی می تواند به تولید سوخت هیدروژنی به عنوان سوخت آینده کمک کند
برای مبارزه با تغییرات آب و هوایی، سوختهای فسیلی باید به منابع انرژی پاک و پایدار تغییر کنند. هیدروژن یک کاندیدای مشهور در این زمینه است که یک سوخت سازگار با محیط زیست است که در صورت استفاده فقط آب تولید میکند. با این حال، روشهای کارآمد تولید هیدروژن معمولاً سازگار با محیط زیست نیستند.
جداسازی آب با نور خورشید برای تولید هیدروژن که روشی سازگار با محیط زیست است، ناکارآمد میباشد و فوتوکاتالیستهای (ماده ای که واکنشهای شیمیایی را با جذب نور تسهیل می کند) استفاده شده در آن، پایداری پایینی دارند. حال این سوال پیش می آید که چگونه میتوان یک فوتوکاتالیست پایدار و کارآمد را توسعه داد.
در مطالعه ای که اخیراً در Applied Catalysis B: Environmental منتشر شده است، یک گروه بین المللی از دانشمندان به سرپرستی استادیار Yeonho Kim از دانشگاه ملی اینچئون در کره به این سوال پرداختند و در مورد عملکرد نانومیله های سولفید روی (ZnS) پوشش داده شده با پلی دوپامین (PDA) به عنوان یک فوتوکاتالیست گزارشی تهیه کردند. طبق این گزارش، PDA/ZnS در مقایسه با کاتالیزور سولفید روی، 220 درصد تولید هیدروژن بیشتری داشت.
علاوه بر این، این محصول پایداری مناسبی از خود نشان داده و تقریباً 79 درصد از فعالیت خود را پس از 24 ساعت تابش حفظ کرده است.
دکتر Kim انگیزه ی تحقیقات خود را به این صورت بیان می کند که ZnS کاربردهای فتوشیمیایی مختلفی دارد زیرا میتواند به سرعت حاملهای بار الکتریکی را در زیر نور خورشید تولید کند. اگرچه نور خورشید باعث اکسیداسیون یونهای سولفید و منجر به خوردگی نوری روی میشود. اخیراً مطالعات نشان داده اند که کنترل ضخامت پوشش‌های PDA روی فوتوکاتالیست میتواند بازده تبدیل انرژی خورشیدی را بهبود بخشد و پایداری نوری را افزایش دهد. اما تاکنون، هیچ مطالعه‌ای به تغییرات فیزیکی و شیمیایی در فصل مشترک ZnS/PDA نپرداخته است. بنابراین، ما می‌خواهیم اثر اتصال PDA را بر روی عملکرد فوتوکاتالیستی ZnS مطالعه کنیم.
دانشمندان نانوکاتالیستهای ZnS پوشش داده شده با PDA را از طریق پلیمریزاسیون دوپامین روی نانومیله های ZnS ساختند و دوره پلیمریزاسیون را برای ایجاد نمونه هایی با ضخامتهای مختلف تغییر دادند (ZnS/PDA1 (1.2 نانومتر)، ZnS/PDA2 (2.1 نانومتر و ZnS/PDA3 (3.5 نانومتر)) و سپس عملکرد فوتوکاتالیستی این نمونه ها با نظارت بر تولید هیدروژن آنها در زیر نور شبیه سازی شده ی خورشید اندازه گیری شد.
کاتالیزور ZnS/PDA1 بالاترین نرخ تولید هیدروژن را نشان داد و به دنبال آن ZnS/PDA2، ZnS بدون پوشش و ZnS/PDA3 بالاترین نرخ تولید هیدروژن را نشان دادند. این تیم عملکرد ضعیف ZnS/PDA2 و ZnS/PDA3 را به جذب نور بیشتر توسط پوشش‌های PDA ضخیم‌تر نسبت دادند که باعث کاهش رسیدن نور به ZnS و مانع از رسیدن حاملهای بار تحریک‌شده به سطح شدند. متقابلاً ZnS بدون پوشش، تحت خوردگی نوری قرار گرفت.
برای درک نقش ساختار الکترونیکی، در بهبود مشاهده شده در ZnS ، دانشمندان طیف انتشار نمونه ها را همراه با محاسبات تئوری تابعی چگالی اندازه گیری کردند. طیف انتشار نشان داد که افزایش جذب به دلیل تشکیل پوسته های Zn-O یا O-Zn-S بر روی ZnS و ایجاد سطوح انرژی در نزدیکی نوار ظرفیت (بالاترین سطح اتمی پر از الکترون) است که میتواند “حفره” را بپذیرد (عدم وجود الکترون ها)، در حالی که محاسبات نشان دادند که ZnS/PDA دارای یک ساختار الکترونیکی منحصربفرد “دوبرابر” است که انتقال و جداسازی حاملهای بار را در سطح آسان میکند. دوام بهبود یافته به دلیل کاهش ظرفیت اکسایشی حفره ها در ترازهای ظرفیت PDA بود.