Sincronización de la excitación periódica del fotocatalizador mediante el encendido del interferómetro de Michelson operante Utilizando espectroscopía FT-IR, los investigadores dirigidos por Toshiki Sugimoto lograron observar e identificar especies de electrones reactivos para la evolución fotocatalítica del hidrógeno. Contrariamente a la creencia tradicional, este estudio muestra que no son los electrones libres del cocatalizador metálico sino los electrones atrapados en la periferia del cocatalizador los que contribuyen directamente a la fotocatálisis.
Desde el descubrimiento de la evolución fotoelectroquímica del hidrógeno por Honda y Fujishima en 1972, la fotocatálisis heterogénea ha sido investigada intensamente y sigue siendo un tema candente en ciencia y tecnología. En particular, la comprensión de las especies de electrones reactivos y los sitios de reacción activos en reacciones de reducción fotocatalítica es importante para diseñar y fabricar catalizadores innovadores con una actividad de evolución mejorada del hidrógeno como portador de energía sostenible.
Sin embargo, a pesar de su importancia fundamental, la comprensión microscópica de la fotocatálisis sigue siendo un problema muy desafiante debido a la dificultad inherente a la observación y extracción experimental de señales espectrales débiles que surgen de especies de electrones reactivos fotoexcitados. Esto se debe principalmente al inevitable aumento de temperatura de la muestra de catalizador en condiciones reales de reacción fotocatalítica bajo irradiación continua de fotones. En este caso, las señales débiles de especies de electrones fotoexcitados reactivos son fácilmente abrumadas por la intensa señal de fondo que se origina en los electrones no reactivos excitados térmicamente.
Investigadores del Instituto de Ciencia Molecular/Universidad de Graduados de Estudios Avanzados (Dr. Hiromasa Sato y Prof. Toshiki Sugimoto), Sokendai lograron suprimir significativamente las señales de electrones excitados térmicamente y observar electrones fotogenerados reactivos que contribuyen a la hidrocatálisis electrónica. Esta innovación se logró mediante un nuevo método basado en la sincronización de la excitación periódica de milisegundos del fotocatalizador con un interferómetro de Michelson utilizado para la espectroscopia FT-IR.
Esta demostración se logró para fotocatalizadores de óxido cargados de metal en condiciones de reformado de metano con vapor y división de agua. Aunque durante mucho tiempo se ha creído convencionalmente que el cocatalizador metálico cargado actúa como un sumidero de electrones fotogenerados reactivos y sitios activos para la reacción de reducción, descubrieron que las especies de electrones libres del cocatalizador metálico no estaban directamente involucradas en la reacción de reducción fotocatalítica. Alternativamente, los electrones atrapados en el estado intersticial del óxido contribuyen a aumentar la tasa de evolución de hidrógeno al cargar el cocatalizador metálico. La abundancia de electrones en el estado en el espacio, especialmente los estados de la superficie del semiconductor inducidos por el metal, se correlacionó claramente con la actividad de la reacción, lo que sugiere que los estados de la superficie del semiconductor inducido por el metal desempeñan un papel clave en el hidrógeno fotocatalítico formado en la periferia del semiconductor. el cocatalizador metálico. evolución
Estos conocimientos microscópicos cambian un paradigma sobre el papel tradicionalmente creído de los cocatalizadores metálicos en la fotocatálisis y proporcionan una base fundamental para el diseño racional de interfaces complejas de metal/óxido como plataformas prometedoras para la evolución no térmica del hidrógeno. Además, el nuevo enfoque operante La espectroscopia infrarroja es ampliamente aplicable a otros sistemas y materiales de reacción catalítica impulsados por fotones y/o campos/potenciales eléctricos externos. Por lo tanto, el nuevo método tendrá un gran potencial para descubrir los factores clave ocultos para mejorar el rendimiento catalizador hacia la innovación de tecnologías energéticas respetuosas con el medio ambiente para la sociedad sostenible de próxima generación.