Boron-doped Diamond - An artificial photosynthesis tool in carbon reduction reaction

It’s my pleasure to share our collaborative work has been published in Nature group publication Scientific Reports (Impact factor 5.5). My hearty congrats to lead author Dr Nithish Roy and corresponding author Prof. Terashima-san for demonstrating highly selective Carbon dioxide reduction reaction through silver nanoparticle decorated Boron-doped diamond photoelectrodes.  Hope this work will initiate to develop a broad spectrum of visible light materials, appropriate co-catalyst systems in artificial photosynthesis based CO2 reduction reactions at Photocatalysis International Research Center (PIRC).

The published article can be found in the following link:

http://www.nature.com/articles/srep38010

A carbon dioxide emission from factories and automobiles is a global issue to save the environment.  Artificial photosynthesis is an emerging route for sustainable conversion of water and CO2 into chemical energy using semiconductor photocatalyst and solar energy. The photo-irradiated semiconductor produce photo charge carriers (electrons and holes), where the photoelectrons from the conduction band are readily available to reduce the CO2 to useful chemical and fuel (hydrogen, ammonia, formic acid, carbon monoxide, acetaldehyde etc) based on the energetic structure of the semiconductor.  Besides the ability of CO2 reduction using nature solar energy, to achieve the selective reaction at semiconductor photocatalyst remains a challenging process.

In the present work, silver nanoparticle decorated Boron-doped Diamond (BDD) electrodes are performed as highly selective CO2 reduction component in the photoelectrocatalytic process. Under UV irradiation, these BDD electrodes reduce CO2 dissolved water into carbon monoxide, which is useful in fuel cell. The ultrafine silver nanoparticle play a key role in making selective reactions routes at BDD. 

This light irradiation was achieved with custom made (patent filed) less power operative UV lamps (7W). In this process, Excellent selectivity (estimated CO:H2 mass ratio of 318:1) and recyclability (stable for five cycles of 3 hour each) for photoelectrochemical CO2 reduction were obtained for the optimum silver nanoparticle-modified BDDL electrode at −1.1 V vs. RHE under 222-nm irradiation. The high efficiency and stability of this catalyst are ascribed to the in situ photoactivation of the BDD surface during the photoelectrochemical reaction. The present work reveals the potential of BDD as a high-energy electron source for use with co-catalysts in photochemical conversion.

Selective results of present work. SEM images of Silver nanoparticle decorated BDD, and Cyclic voltammetry plots. Adopted from Nithish Roy et al, Scientific Reports 6, article number 38010, 2016 (doi:10.1038/srep38010)

The proposed mechanism of selective photoelectrocatalytic CO2 reduction at silver nanoparticle decorated BDD. Adopted from Nithish Roy et al, Scientific Reports 6, article number 38010, 2016 (doi:10.1038/srep38010) 

பெரும் ஊர்திகளில் இருந்தும் தொழிற்சாலைகளில் இருந்தும் வெளிப்படும் கார்பன் டை ஆக்சைடு நச்சு வளிமம் நம் சுற்று சூழலில் கடுமையான மாசுக் கேட்டை உருவாக்குகிறது. இது மனிதர்களுக்கு மிக மோசமான நோயினை ஏற்படுத்த வல்லது.

செயற்கை ஒளிச்சேர்க்கை முறையில் இந்த கார்பன் டை ஆக்சைடு வளிமத்தை நீரிலோ அல்லது கரிம வேதிப்பொருள்களில் கரைத்தோ ஒளிமின் வினையூக்கிகள் துணைக் கொண்டு தொழில் பயனுறு விளை பொருட்களாக (ஐதரசன், அமோனியா, கார்பன் மோனாக்சைடு, பார்மிக் காடி, அசிட்டால்டிகைடு, பார்மால்டிகைடு) மாற்ற முடியும்.

ஆனால், ஒளி வினையூக்கி (photocatalyst) மூலம் நடைபெறும் வினையானது கட்டற்ற முறையில் இணைதிறன் ஆற்றல் பட்டையில் உள்ள எதிர்மின்னிகளை கொண்டு இயங்குவதால் குறிப்பிட்ட ஒரு விளை பொருளை தேர்ந்தெடுத்து பெறுவது (Selectivity) என்பது மிகவும் கடினமானது. உதாரணமாக கார்பன் டை ஆக்சைடு வளிமத்தினை அமோனியா -வாகவோ அல்லது கார்பன் மோனாக்சைடு வளிமமாகவோ மட்டுமே மாற்ற வேண்டும், வேறு துணை விளை பொருட்கள் தோன்றக் கூடாது என்னுமாறு கட்டுப்படுத்துவது என்பது கடுமையான செயலாகும்.

இவ்வாராய்ச்சியில் வெள்ளி நானோ துகள்கள் பூசப்பட்ட போரான் புகுத்தப்பட்ட வைர (boron doped diamond) குறைகடத்தி மென் ஏடுகளை ஒளிமின் விளைவு வினையூக்கி களாகக் கொண்டு தேர்ந்தெடுக்கப்பட்ட (selective) கார்பன் டை ஆக்சைடு இறக்க வினையினை நிகழ்த்தி காட்டியுள்ளோம். இதன் மூலம் வழமையாக வெளிப்படும் துணை விளைபொருட்களை இவ்வினையில் குறைத்து ஒப்பீட்டளவில் அதிக அளவிலான கார்பன் மோனோக்சைடு வளிமத்தினை மட்டும் பெற்றுள்ளோம்.
இந்த கார்பன் மோனாக்சைடு வளிமத்தினை எரி மின் கலங்களில் உள்ளீட்டு பொருட்களாக செலுத்த முடியும்.
இவ்வாராய்ச்சி கார்பன் டை ஆக்சைடு நச்சு வளிமத்தை தொழிற் பயனுறு வளிமமாக மாற்றித் தந்துள்ளது. மேலும் தொழிற்சாலைகளில் இருந்து நேரடியாக வளி மண்டலத்தில் கலக்கவுள்ள கார்பன் டை ஆக்சைடு நச்சு வாயுவினை தடுத்து பசுமையான வெளியாக வைத்திருக்கவும் உதவுகிறது.
இத்தகைய வினையூக்கிகள் செயற்கை ஒளிச் சேர்க்கை முறையில் கார்பன் டை ஆக்சைடு இறக்க வினைகளுக்கான தடங்களுக்குப் புதிய கதவுகளைத் திறந்துள்ளது.

காப்புரிமை பெறப்பட்ட குறை மின் திறனில் இயங்கக்கூடிய    புற‌ ஊதா மின் விளக்குகளை இந்த வினைகளுக்காக வடிவமைத்துள்ளோம்.  நேரடியான சூரிய ஒளியில் இயங்கும்  ஒளி மின் வினையூக்கிகளை வடிவமைத்தால் எதிர்காலத்தில் நேரடியான, பெரிய அளவிலான‌ வெளிப்புற வினை மையங்களை நிறுவலாம்.

ஆராய்ச்சி கட்டுரையினை கீழ்கண்ட சுட்டியில் இலவசமாக தரவிறக்கம் செய்து கொள்ளலாம்.

http://www.nature.com/articles/srep38010