Plasmoniset fotokatalyytit, erityisesti metallihiukkaset, voivat nostaa materiaalin energiatasoa niin, että se ylittää alkuperäisen valenssivyöhykkeen (VB) tai alittaa alkuperäisen johtamisvyöhykkeen (CB), jolloin materiaalin kielletty alue kapenee ja sen herkkyys näkyvälle valolle kasvaa. Tämä ilmiö johtuu valon hajaantumisesta ja plasmonisista vaikutuksista, jotka syntyvät doping-aineen vaikutuksesta. Lisäksi Schottkyn esteen muodostuminen doping-aineen ja MOS-pohjaisen fotoelektrodiin välillä lisää vapaiden varaustekijöiden ja sähkönjohtavuuden määrää, mikä puolestaan lisää fotovirtaa. Plasmonisten fotokatalyyttien avainkäytöt, erityisesti aurinkokennoissa, voidaan havainnollistaa kuvan 12.5 avulla (Zhang et al. 2013). MOS-pohjaisten plasmonisten fotokatalyyttien käyttö on tuonut merkittäviä etuja aurinkokennojen kehitykselle, erityisesti DSSC:issä (dyysensitoitu solari-solari kenno), kuten on kuvattu kuvassa 12.6 (Armelao et al. 2007; Prakash et al. 2018).

DSSC:ssä plasmoniset fotokatalyytit näyttelevät keskeistä roolia valon absorboinnin parantamisessa ja varaustekijöiden siirron helpottamisessa väriainemolekyyleistä puolijohteeseen, mikä parantaa IPCE:tä (injektioefektiivisyys). Lisäksi voimakas sähkömagneettinen kenttä, joka syntyy lokalisoidun pinnan plasmon-resonanssin (LSPR) seurauksena, stimuloi varaustekijöiden syntymistä ja estää niiden rekombinaation (Prakash et al. 2018). TiO2:n tapauksessa anatasiittivaiheen muuttuminen rutiilivaiheeksi estyy dopingilla, mikä minimoi varaustekijöiden rekombinaation. Dopointi vähentää virhetilojen määrää, mikä lisää fotogeenisesti syntyneiden elektronien elinikää ja vähentää rekombinaatioon liittyviä häviöitä. Dopantit vaikuttavat myös nanopartikkelien (NP) kasvuvauhtiin, mikä puolestaan vaikuttaa niiden kokoon, pinta-alaan, rakeen rajojen määrään ja sidontavoimaan väriaineiden molekyylien kanssa. Esimerkiksi mangaanilla (Mn) dopattu TiO2, joka pystyy absorboimaan infrapunaista valoa, on osoittautunut erinomaiseksi fotoanodiksi DSSC:issä, ja sen tehokkuus oli 79 % korkeampi verrattuna kaupalliseen TiO2 P25:een (Ullattil et al. 2017). Hopealla (Ag) dopatun TiO2-nanokuitujen IPCE oli 42 % korkeampi verrattuna puhtaisiin oksidinanokuituihin (Hwang et al. 2014). Metallidopattu TiO2-polymeeri-nanokomposiitti, joka perustuu plasmoniseen vaikutukseen, parantaa aurinkokennon laitteiden ominaisuuksia (Xu et al. 2013), sillä nämä yhdistelmät luovat tehokkaan fotokatalyyttisen järjestelmän, joka pystyy hyödyntämään sekä luonnon auringonvaloa että sisätiloissa tyypillistä hajavaloa. Tällä hetkellä ZnO:graphene-nanokomposiittien valon absorboitumisen parantaminen edellyttää niiden väliintuloa hopeahiukkasten (Ag) kanssa. Hopean pintaplasmoninen vaikutus parantaa merkittävästi DSSC:n optista absorptiota, edistää varausten siirtoa, vähentää valon heijastumista ja mahdollistaa syvemmän valon tunkeutumisen, mikä parantaa sisäistä valon hajaantumista. Tämä parantaa merkittävästi konversioeffektiivisyyttä (Mahalingam et al. 2022).

Doping ei rajoitu pelkästään metalleihin. Ei-metallisten elementtien, kuten boorin (B), hiilen (C), typen (N), fluorine (F), rikin (S) ja kloorin (Cl), käyttö on tehokas strategia valon absorbointikyvyn parantamiseen näkyvässä spektrissä, mikä lisää energiankonversioiden tehokkuutta. Esimerkiksi ZnO:n dopointi hiilellä tai typellä pienentää sen kiellettyä aluetta, mikä lisää absorptiota näkyvän valon alueella ja mahdollistaa ZnO:C- tai ZnO:N:n hyödyntämisen jopa 42 %:lla auringon säteilyn energiasta (Saffari et al. 2020). Nykyisin tyypillinen tutkimusalue on typen dopauksen kehittäminen TiO2:een, koska hapen (O) ja typpien (N) ominaisuudet, kuten polarisoitavuus, elektronegatiivisuus ja ioniset säteet, ovat samankaltaisia. Erityisesti näkyvän valon vastaisten TiO2:n, erityisesti typen dopatun TiO2:n, kehitys on saanut huomiota (Du et al. 2022). TiO2:N:n avulla kielletty alue ja fotogeenisesti syntyneiden varaustekijöiden rekombinaation tehokkuus vähenevät. Kuitenkin TiO2:N:n näkyvän valon absorptio on yhä rajoitettua, ja typpipitoisuuden kasvaessa syntyvät happeen liittyvät aukot voivat toimia rekombinaatiokeskuksina (Du et al. 2022). Toinen esimerkki on ZnO:n rakenteen ja optisten ominaisuuksien muokkaaminen ei-metallidopauksen avulla (S, N ja C), mikä tuo merkittäviä etuja materiaalitieteessä. Ei-metallidopattuja ZnO:ta on tutkittu laajasti, ja niiden lupaavat tulevaisuudennäkymät voivat tehdä niistä yhden tehokkaimmista fotokatalyyteista, jotka edistävät vihreän ja terveellisen ympäristön luomista (Kumari et al. 2019).

Tandem-konfiguraatiot, jotka yhdistävät valon absorboijat eri kielletyillä alueilla pinottuna toistensa päälle, parantavat fotopotentiaalia ja hyödyntävät laajempaa osaa aurinkospektristä. Kuitenkin rakentaen fotoanodia, joka ei ainoastaan omaa korkeaa fotovirran tiheyttä, mutta myös korkeaa läpinäkyvyyttä tandem-kennoille, on edelleen haaste. Shi et al. (Shi et al. 2015) osoittivat langattoman monoliittisen tandem-laitteen, joka koostuu erittäin läpinäkyvistä mesoporoosista tungstenoksidikalvoista (WO3) bismuttivanaadi (BiVO4) ja porfyripohjaisesta väriainenyhdisteistä, saavuttaen 5,7 %:n tehokkuuden ilman ulkoista biasia. Sandwitch-infiltraatioprosessia käytettiin ohuen BiVO4-kerroksen tuottamiseen mesoporoosikalvojen päälle, säilyttäen korkean läpinäkyvyyden ja sallien suuren fotonivirran toisessa väriainenyhdisteessä.

Vuonna 2022 Vajda et al. esittivät innovatiivisen lähestymistavan, jossa käytettiin yksivaiheista hydrotermistä menetelmää etyyli-selluloosan surfaktanttina, Cu2O:ta sisältävän huokoisen ohutkalvon synteesissä kuparipohjalla, joka toimi fotokatodina DSSC:issä. Vaikka täyttökerroin oli alhainen ja vaati parannuksia punaisen elektrodin elektrolyytissä ja muita teknologisia optimointeja, tämä fotokatodi osoittaa lupaavia etuja. Halpojen materiaalien käyttö ja valmistusprosessin yksinkertaistaminen tekevät tästä fotokatodista mielenkiintoisen vaihtoehdon joustavien p-tyyppisten tai tandem-DSSC-laitteiden kehittämiseen.

Miten hopea-molybdaatti (Ag2MoO4) ja sen johdannaiset voivat vaikuttaa ympäristöön ja energiatehokkuuteen?

Hopea-molybdaatti (Ag2MoO4) on monikäyttöinen puolijohde, jota on tutkittu laajasti erityisesti sen valokatalyyttisten ominaisuuksien ja ympäristön puhdistamiseen liittyvien sovellusten kannalta. Sen erinomaiset fotokatalyyttiset ominaisuudet, erityisesti näkyvän valon alueella, tekevät siitä lupaavan materiaalin, joka voi toimia tehokkaana välineenä erilaisten ympäristöhaittojen, kuten väriaineiden ja saastuneen veden puhdistamisessa.

Ag2MoO4:llä on monia sovelluksia, jotka perustuvat sen kykyyn hajottaa orgaanisia yhdisteitä valon vaikutuksesta. Sen optiset ja sähkökemialliset ominaisuudet tekevät siitä erinomaisen valinnan erityisesti aurinkokennojen ja energian varastoinnin tekniikoissa, joissa valon energia voidaan muuntaa kemialliseksi energiaksi. Lisäksi tämä materiaali pystyy hajottamaan kemiallisia yhdisteitä, joita löytyy teollisuuden ja kotitalouksien jätevesistä. Tässä kontekstissa Ag2MoO4 tarjoaa ekologisen ratkaisun, koska se voi vähentää myrkyllisten kemikaalien pääsyä ympäristöön.

Sen lisäksi, että hopea-molybdaatti toimii valokatalyyttinä, sen johdannaisia on myös käytetty muun muassa elektrolyysissä, erityisesti vedyn tuottamisessa. Esimerkiksi Ag2MoO4:n ja muiden materiaaleiden, kuten TiO2:n, yhdistäminen voi parantaa merkittävästi vedyn tuottokapasiteettia, mikä puolestaan tukee uusiutuvan energian kehittämistä. Tämä on tärkeää energian varastointiteknologioiden kehitykselle, jossa etsitään kestävämpiä ja tehokkaampia keinoja energian talteenottamiseksi ja varastoimiseksi.

Erityisesti hopea-molybdaatti pystyy toimimaan katalyyttinä, joka voi alentaa ympäristömyrkkyjen tasoja vesistöissä ja maaperässä. Tässä suhteessa sen rooli on merkittävä, sillä se voi tarjota vaihtoehdon perinteisille puhdistustekniikoille, kuten kemiallisille liuottimille ja korkeiden lämpötilojen käsittelyille, jotka usein kuluttavat paljon energiaa ja voivat olla haitallisia ympäristölle.

Ag2MoO4:n mahdolliset sovellukset ovat myös laajentuneet nanoteknologian alueelle. Nanomittakaavassa sen reaktiivisuus kasvaa, mikä parantaa materiaalin tehokkuutta ja mahdollistaa sen käytön pienissä määrissä. Tämä ominaisuus on erityisen tärkeä ympäristönsuojelussa, koska se mahdollistaa vähemmän saastuttavien ja vähemmän energiaa kuluttavien prosessien kehittämisen. Tällaiset edistykset voivat myös auttaa vähentämään tuotantokustannuksia ja parantamaan materiaalien kierrätettävyyttä.

Vaikka Ag2MoO4 on kiistattomasti tehokas valokatalyytti, sen valmistus ja hyödyntäminen edellyttävät vielä monia teknisiä haasteita, kuten optimoituja synteesimenetelmiä ja materiaalin stabiilisuuden parantamista. Tässä yhteydessä ultrakorkeateknologiset menetelmät, kuten sonokemialliset synteesit ja kemialliset höyrystysmenetelmät, ovat nousseet keskeisiksi, koska ne tarjoavat tarkempaa kontrollia materiaalin rakenteen ja ominaisuuksien suhteen. Nämä menetelmät tekevät mahdolliseksi valmistaa Ag2MoO4:n erityisesti ympäristön puhdistukseen ja energiahuoltoon liittyvissä sovelluksissa.

Samalla on tärkeää ymmärtää, että vaikka hopea-molybdaatin ominaisuudet tekevät siitä tehokkaan materiaalin monilla alueilla, sen pitkäaikainen ympäristövaikutus ja kestävyys ovat edelleen avoimia tutkimusaiheita. On olennaista kehittää prosesseja, jotka voivat varmistaa materiaalin kierrättämisen ja vähentää sen mahdollisia haitallisia vaikutuksia elinkaarelle.

Tulevaisuudessa Ag2MoO4:n rooli materiaaliteknologiassa tulee luultavasti laajentumaan, erityisesti kun otetaan huomioon sen potentiaali integroida muiden materiaalien kanssa, kuten erilaisilla metalliseoksilla tai muilla puolijohteilla. Näin sen käyttö voi edelleen kasvaa energian tuotannossa, ympäristön puhdistuksessa ja muilla kriittisillä alueilla, joissa kestävien ja energiatehokkaiden ratkaisujen kehittäminen on tärkeää.

Miten pandemia ja kriittinen pedagogiikka muokkaavat yhteiskunnan arvoja ja valtarakenteita?
Miten varmistetaan turvallinen istunnonhallinta ja pääsynvalvonta?
Miten proteomiikka ja matemaattiset mallit vaikuttavat heraproteiinien sitoutumisprosesseihin?
Miten Wari, Sicán ja Chimú kulttuurit vaikuttivat Andien alueen kehitykseen?