Síntesis y evaluaciones de rendimiento de ZnCoS / ZnCdS con estructura cristalina gemela para fotocatálisis redox multifuncional en aplicaciones energéticas

Nuestro equipo estudia nanoestructuras híbridas para energía y entornos limpios, centrándose en mecanismos nanocatalíticos para mejorar la eficiencia, selectividad y escalabilidad de la conversión de energía solar a química y la remediación ambiental mediante fotocatálisis y electrocatálisis. Los avances recientes incluyen nanomateriales 2D, nanocompuestos basados en carbono y heterojunciones basadas en metabisulfitos para aplicaciones fotoredox en evolución del hidrógeno, conversión de CO2, reformado plástico y síntesis orgánica, impulsando así la eficiencia y sostenibilidad de la energía solar en química. Mi trabajo se ha centrado en crear nanocatalizadores avanzados para la fotosíntesis artificial y la catálisis fototérmica, logrando mejoras significativas en la producción de hidrógeno y gas de síntesis impulsados por la energía solar, al tiempo que se centran en la química fundamental de la superficie y los mecanismos de reacción que impulsan conversiones energéticas sostenibles.

Nuestro protocolo aprovecha sulfuro de zinc y cobre sobre sulfuro de zinc cadmio entre uniones de lanzamiento rápido, wurtzita y zincblenda y depósitos de electrones de sulfuro de zinc cobre, permitiendo separaciones superiores de carga, utilizaciones de luz visible y evoluciones de hidrógeno y producción de benzaldehído de doble función con una eficiencia significativamente mejorada. Mi investigación futura se centra en diseñar fotocatalizadores y electrocatalizadores avanzados para la conversión de monóxido de carbono, conversión de metano, transformación de nitrato en amoníaco, producción y almacenamiento de hidrógeno, conversión de biomasa y reciclaje de plásticos, con el objetivo de lograr aplicaciones escalables, eficientes y sostenibles de energía solar a energía química con una eficiencia superior al 5%. Para empezar, coloque un vaso de precipitados de 100 mililitros sobre la superficie de trabajo y vierta 40 mililitros de solución de etilenglicol en él. Usando una espátula, añade acetato de zinc dihidratado, tetrahidrato de acetato de cobalto y tioacetamida a la solución.

Somete la solución a tratamiento ultrasónico durante 30 minutos. Luego remuévelo continuamente durante cuatro horas a temperatura ambiente. Transfiere la mezcla resultante a un autoclave de acero inoxidable revestido de polímero sintético de 100 mililitros.

Luego transfiero la solución a un horno precalentado y calienta a 180 grados Celsius durante 12 horas. Con una centrífuga, recoge el precipitado gris oscuro. Luego, lava el precipitado tres veces, cada una con agua desionizada y etanol.

Seca la muestra lavada de color gris oscuro en un horno durante la noche a 60 grados Celsius para obtener un polvo de sulfuro de zinc y cobalto gris oscuro. Para sintetizar sulfuro de zinc y cadmio, vierte 40 mililitros de agua desionizada en un vaso de precipitados de 100 mililitros. Usando una espátula, añade acetato de zinc dihidratado, dihidrato de acetato de cadmio, sulfuro de sodio hidratado y tioacetamida en la solución.

Somete la solución a tratamiento ultrasónico durante 30 minutos, seguido de remover durante tres horas a temperatura ambiente. A continuación, añade 0,2 molares de solución acuosa de hidróxido de sodio en gota en la solución removida para ajustar el pH a 7,0. Transfiere la solución ajustada a un autoclave de acero inoxidable revestido de polímero sintético de 100 mililitros.

Luego, coloca la solución en un horno y caliéntala a 180 grados Celsius durante 24 horas. Utilizando una centrífuga, recoge el precipitado amarillento y luego lava el precipitado tres veces cada una con agua desionizada y etanol. Transfiere el precipitado amarillento lavado a un horno y sécalo durante la noche a 60 grados Celsius para obtener polvo sólido de sulfuro de cadmio y zinc.

Para sintetizar el fotocatalizador, se disuelven 4 miligramos de sulfuro de cobalto de zinc y 0,196 gramos de sulfuro de cadmio y zinc en 40 mililitros de agua desionizada. Tras la ultrasonicación, recoge el precipitado amarillento y luego lava la muestra tres veces, cada una con agua desionizada y etanol. Transfiere el precipitado amarillento lavado al horno y sécalo durante la noche a 60 grados Celsius.

El producto final es un polvo sólido de sulfuro de zinc cobalto amarillento y polvo de sulfuro de zinc cadmio. Añade 20 miligramos del fotocatalizador sintetizado y 60 mililitros de solución acuosa de alcohol bencelílico en un vaso de precipitados de 100 mililitros. Coloca el vaso en un limpiador ultrasónico y realiza la ultrasonicación durante 30 minutos.

Luego, transfiere la solución a una celda de reactor de irradiación superior de tres cuellos e inserta una barra agitadora magnética. Mantén la solución bajo una agitación lenta durante todo el proceso de reacción. A continuación, conecta una trampa de humedad al lado aguas abajo de la celda del reactor.

Luego, conecta la salida a la entrada del circuito de muestreo de gas del sistema de cromatografía de gases. Además, conecta la salida del bucle de muestreo de gas a la entrada de la celda del reactor para formar un sistema de circulación de gas cerrado. Sella el reactor con una ventana de cristal.

Luego, purga el gas nitrógeno a un caudal de 50 mililitros por minuto a través del reactor durante 30 minutos para eliminar todo el aire interior. Ahora, enciende la bomba peristáltica y ajusta el caudal a 20 mililitros por minuto para que el gas nitrógeno circule dentro del sistema cerrado de circulación de gases. Enciende la lámpara de xenón a 15 voltios y colócala de modo que la luz pase por la ventana de cristal y llegue a la solución dentro del reactor.

Una vez completada la reacción, utilizando un filtro de jeringuilla de nylon de 0,22 micrómetros, filtra un mililitro de la suspensión. Diluye la suspensión filtrada con agua desionizada en una proporción de 1 a 9. Por último, utiliza un sistema de cromatografía líquida de alto rendimiento equipado con un detector de matriz de fotodiodos y una columna de alto rendimiento de 100 Angstrom.

Las imágenes de microscopía electrónica de transmisión de alta resolución confirmaron la coexistencia de las fases zincblenda y wurtzita en sulfuro de zinc y cadmio, y un límite de interfase distinguió claramente los dos dominios cristalinos. Se observó claramente la estructura de interfase de la heterounión sulfuro de zinc-cobalto y sulfuro de zinc-cadmio, demostrando la incorporación exitosa del sulfuro de zinc-cobalto en las interfases de zincblenda y wurtzita del sulfuro de zinc-cadmio. Los espectros de absorbancia visible a los rayos UV mostraron que el sulfuro de zinc-cadmio tenía una absorción mayor en la región visible en comparación con el sulfuro de cobalto de zinc, y la heterounión sulfuro de cobalto de zinc y sulfuro de cadmio de zinc exhibieron una absorción ligeramente mejorada respecto al sulfuro de cadmio de zinc solo.

La banda prohibida óptica del sulfuro de zinc-cadmio se calculó en aproximadamente 2,49 electrones según el análisis de diagramas de conversación. Las isotermas de adsorción/desorción de nitrógeno revelaron que las muestras de sulfuro de zinc cobalto y sulfuro de zinc cadmio exhibían características mesoporosas, con un aumento pronunciado de la adsorción a presión relativa cerca de 1,0. La distribución del tamaño de los poros del sulfuro de cobalto de zinc y sulfuro de cadmio se concentró principalmente entre 25 y 35 nanómetros, lo que confirma la naturaleza mesoporosa del material.