แปลงความผันผวนของอุณหภูมิให้เป็นพลังงานสะอาดด้วยอนุภาคนาโนแบบใหม่และกลยุทธ์การให้ความร้อน

Pyro-catalysis หมายถึงการเร่งปฏิกิริยาที่เกิดจากประจุที่พื้นผิวในวัสดุ pyroelectric ที่เกิดจากความผันผวนของอุณหภูมิ เป็นเทคนิคการเร่งปฏิกิริยาสีเขียวที่ขับเคลื่อนด้วยตัวเอง ซึ่งเก็บเกี่ยวพลังงานความร้อนเหลือทิ้งจากสิ่งแวดล้อม ได้รับความสนใจเพิ่มขึ้นในการผลิตพลังงานสะอาดและการสร้างสปีชีส์ออกซิเจนปฏิกิริยา ซึ่งสามารถนำไปใช้เพิ่มเติมสำหรับการฆ่าเชื้อโรคและการบำบัดสีย้อม อย่างไรก็ตาม วัสดุไพโรอิเล็กทริกที่มีอยู่ในปัจจุบันส่วนใหญ่จะไม่มีประสิทธิภาพหากอุณหภูมิแวดล้อมไม่เปลี่ยนแปลงมากนักเมื่อเวลาผ่านไป เนื่องจากอัตราการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิสิ่งแวดล้อมมักจะถูกจำกัด วิธีที่เป็นไปได้มากกว่าในการเพิ่มประสิทธิภาพไพโรคะทาไลติกคือการเพิ่มจำนวนรอบของอุณหภูมิ แต่เป็นความท้าทายอย่างยิ่งในการทำให้วงจรความร้อนหลายวงจรในตัวเร่งปฏิกิริยาไพโรเกิดขึ้นภายในช่วงเวลาสั้นๆ โดยใช้วิธีการให้ความร้อนแบบเดิม ความท้าทายของการปั่นจักรยานด้วยความร้อนหลายครั้ง ทีมวิจัยที่นำโดย Dr Lei Dangyuan รองศาสตราจารย์ภาควิชาวัสดุศาสตร์และวิศวกรรมศาสตร์ (MSE) ที่ CityU ได้เอาชนะอุปสรรคนี้โดยใช้กลยุทธ์ใหม่ในการรวมวัสดุไพโรอิเล็กทริกเข้ากับผลกระทบของเทอร์โมพลาสโมนิกของวัสดุนาโนโลหะมีตระกูล . โครงสร้างนาโนพลาสโมนิกซึ่งรองรับการสั่นแบบรวมของอิเล็กตรอนอิสระ สามารถดูดซับแสงและแปลงเป็นความร้อนได้อย่างรวดเร็ว ขนาดระดับนาโนช่วยให้การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิภายในปริมาตรจำกัดเป็นไปอย่างรวดเร็วและมีประสิทธิภาพ โดยไม่สูญเสียความร้อนอย่างมีนัยสำคัญต่อสภาพแวดล้อมโดยรอบ พลังงานสะอาด ดังนั้น ความร้อนเฉพาะจุดที่สร้างขึ้นโดยโครงสร้างนาโนเทอร์โม-พลาสโมนิกสามารถปรับอย่างละเอียดและเปิดหรือปิดได้อย่างง่ายดายโดยการฉายรังสีจากแสงภายนอกภายในช่วงเวลาที่สั้นมาก ในการทดลอง ทีมงานได้เลือกวัสดุไพโรเร่งปฏิกิริยาที่เรียกว่าอนุภาคนาโนแบเรียมไททาเนต (BaTiO 3 ) อนุภาคนาโน BaTiO 3ที่มีลักษณะคล้ายปะการังได้รับการตกแต่งด้วยอนุภาคนาโนทองคำเพื่อเป็นแหล่งความร้อนของพลาสโมนิก อนุภาคนาโนทองคำสามารถเปลี่ยนโฟตอนโดยตรงจากเลเซอร์พัลซิ่งให้เป็นความร้อน ผลการทดลองแสดงให้เห็นว่าอนุภาคนาโนทองคำทำหน้าที่เป็นแหล่งความร้อนเฉพาะที่ที่รวดเร็ว ไดนามิก และควบคุมได้โดยไม่เพิ่มอุณหภูมิโดยรอบ ซึ่งช่วยเพิ่มอัตราการเกิดปฏิกิริยาไพโร-คะทาไลติกโดยรวมของ อนุภาคนาโน BaTiO 3ได้อย่างโดดเด่นและมีประสิทธิภาพ อนุภาคนาโนทองคำเป็นแหล่งความร้อนเฉพาะที่ ด้วยกลยุทธ์นี้ ทีมงานประสบความสำเร็จในอัตราการผลิตไฮโดรเจนแบบไพโรเร่งปฏิกิริยาสูง ซึ่งช่วยเร่งการพัฒนาแอปพลิเคชันที่ใช้งานจริงของไพโรคะทาไลซิส เครื่องปฏิกรณ์นาโนไพโรอิเล็กทริกแบบพลาสโมนิกแสดงอัตราการผลิตไฮโดรเจนแบบเร่งปฏิกิริยาไพโร-เร่งปฏิกิริยาที่ประมาณ 133.1±4.4µmol·g-1·h-1 ผ่านการให้ความร้อนและการทำให้เย็นเฉพาะที่ด้วยเทอร์โม-พลาสโมนิกภายใต้การฉายรังสีของเลเซอร์นาโนวินาทีที่ความยาวคลื่น 532 นาโนเมตร นอกจากนี้ อัตราการเกิดซ้ำของเลเซอร์นาโนวินาทีที่ใช้ในการทดลองคือ 10Hz ซึ่งหมายความว่ามีการฉายแสง 10 ครั้งบนตัวเร่งปฏิกิริยาต่อวินาทีเพื่อให้ได้รอบการทำความร้อนและความเย็น 10 รอบ นี่หมายความว่าการเพิ่มอัตราการทำซ้ำของพัลส์เลเซอร์ ประสิทธิภาพการเร่งปฏิกิริยาไพโรอิเล็กทริกสามารถปรับปรุงได้ในอนาคต ทีมวิจัยเชื่อว่าผลการทดลองของพวกเขาได้เปิดแนวทางใหม่ในการปรับปรุงการเร่งปฏิกิริยาไพโรด้วยการออกแบบระบบคอมโพสิตไพโรอิเล็กทริกที่เป็นนวัตกรรมร่วมกับวัสดุความร้อนจากแสงอื่นๆ ความก้าวหน้าที่สำคัญนี้จะทำให้การประยุกต์ใช้ไพโรแคทาไลซิสในอนาคตในการบำบัดมลพิษและการผลิตพลังงานสะอาดเป็นไปได้มากขึ้น