微小的金颗粒可以帮助利用太阳能来分解污染

当染料、农用化学品和药物等有机污染物进入世界各地的水道时，它们会对环境和人类健康造成危害——而将它们去除可能非常困难。

光催化剂——从光中吸收能量并利用它来加速化学反应速率的物质——可以在称为矿化的过程中分解有机污染物，将它们转化为水、二氧化碳和其他无害分子。但有一个问题：大多数光催化剂需要紫外线才能发挥作用，这使得它们不切实际且大规模使用成本高昂。

为了解决这个问题，研究人员着眼于寻找一种可以利用更多太阳光谱的光催化剂。“如果你可以使用太阳光，它比紫外线更便宜，也更容易获得，”挪威科技大学化学工程系催化教授MagnusRønning说。

金纳米粒子钥匙

由矿物铋石制成的纳米级圆盘是一种很有前途的光催化剂，研究人员发现，在其表面添加金纳米粒子可提高其对太阳光谱可见部分的敏感性。然而，虽然有多种方法可以将这些金纳米粒子沉积在表面上，但大多数方法对最终得到的粒子的大小和形状的控制有限。

“通常你会得到一个你无法真正控制的大小和形状的分布，所以你会混合使用棒状、球状和立方体，”Rønning说。

现在，挪威科技大学的Rønning和他的同事找到了一种方法，可以在铋石纳米盘的表面上制造出尺寸和形状均一的金纳米粒子。他们的研究最近发表在《光化学与光生物学科学》杂志上，为研究纳米粒子的大小和形状对催化剂性能的影响提供了可能性，从而使其光捕获能力最大化成为可能。

测试不同形状的纳米粒子

研究人员使用小的金种子作为成核位点，通过调节颗粒生长所在溶液的浓度和pH值，他们在其上生长出不同形状的金纳米粒子——棒状、表面粗糙的蚀刻棒和球体。

这些纳米粒子的表面有一个表面活性剂层，这降低了它们在沉积在铋石纳米盘上之前聚集在一起的可能性。

“这样一来，我们就可以很好地控制这些颗粒的大小和形状，”Rønning说。样品由博士制备和表征。NTNU纳米实验室的候选人JibinAntony，催化反应本身在化学工程系催化组的实验室中进行。

研究人员测试了由此产生的光催化剂分解亚甲蓝有机污染物的能力。亚甲基蓝本身是一种广泛存在的有机污染物，也是一种有用的测试案例，可用于测试光催化剂对其他污染物的处理效果。

“它作为一种有机污染物非常具有代表性，但它也是一种相对复杂的分子，”Rønning说。“如果它对亚甲蓝有效，它也应该对其他有机物有效。”

使用亚甲蓝的另一个优势是它的分解过程已经很清楚了，这使得研究人员不仅可以探索在过程结束时还剩下多少亚甲蓝，还可以探索它被转化成了什么。

虽然这不是Rønning和他的同事在他们的金纳米粒子研究中看到的东西，但在一篇相关论文中，研究人员发现在铋石纳米盘中添加二氧化硅确实改变了亚甲蓝的降解产物。“最后，你想要完全矿化，而不仅仅是转化成与亚甲蓝一样危险或不需要的东西，”Rønning说。

棒比球好

Rønning和他的同事发现，具有棒状金纳米粒子的光催化剂的性能比具有球体的光催化剂好14%。但仍有改进的余地。“即使经过三个小时的反应，你仍然会留下一些污染物，”Rønning说。“所以，是的，它正在起作用。但我们仍然需要更好的东西。”

一些光催化剂已经在商业上用于废水处理和空气净化系统。该技术还有望用于氢分解——仅使用水和阳光生产廉价的氢燃料。然而，为了使之成为可能，研究人员需要找到一种方法，使催化剂比现在更有效。

更好的光催化剂所需的关键改进取决于实际使用多少光子来驱动反应。“在好的情况下，它可能是1%，”Rønning说。“如果我们能把它提高到，比如说，10%，它就会更接近实际应用。”

虽然改变金纳米粒子的大小和形状不太可能带来如此巨大的效率提升，但这只是一个开始。“我们需要改进催化剂以使其在商业上可行，”Rønning说。“这是朝那个方向迈出的一步。”