Plantacje nanoprętów na grafenowym podłożu przechwycą energię słoneczną

fot. IChF PAN, Grzegorz Krzyżewski

Nanopręty tlenku cynku wyhodowane na grafenowym podłożu „udekorowanym” kropkami siarczku kadmu to nowatorski materiał fotokatalityczny opracowała grupa naukowców z Instytutu Chemii Fizycznej PAN w Warszawie i Uniwersytetu w Fuzhou. W obecności promieniowania słonecznego taka kombinacja zero- i jednowymiarowych struktur półprzewodnikowych z dwuwymiarowym grafenem świetnie katalizuje wiele reakcji chemicznych.

Proste i równo rozmieszczone nanopręty wyrastające z płaskiego podłoża pną się ku górze, gdzie korony półprzewodnikowych wydzieleń wyłapują każdy promień światła słonecznego – tak pod mikroskopem wygląda nowy materiał fotokatalityczny, skonstruowany przez naukowców z Instytutu Chemii Fizycznej PAN (IChF PAN) w Warszawie i Wydziału Chemii Uniwersytetu w Fuzhou w Chinach. Nowatorski materiał 3D zaprojektowano w taki sposób, aby podczas przetwarzania energii słonecznej zapewnić jak najlepszą współpracę punktowych wydzieleń siarczku kadmu (tzw. struktur zerowymiarowych) z nanoprętami tlenku cynku (strukturami 1D) i grafenem (strukturą 2D).

Metody przetwarzania energii światła docierającego do Ziemi ze Słońca można podzielić na dwie grupy. W grupie fotowoltaicznej fotony są wykorzystywane do bezpośredniego generowania energii elektrycznej. Podejście fotokatalityczne jest inne: tu promieniowanie, zarówno widzialne jak i ultrafioletowe, służy do aktywowania związków chemicznych i przeprowadzania reakcji, które magazynują energię słoneczną. W ten sposób można np. redukować CO2 do metanolu, syntetyzować paliwa lub wytwarzać cenne półprodukty organiczne dla przemysłu chemicznego czy farmaceutycznego.

Zasada działania nowego, trójwymiarowego fotokatalizatora, opracowanego przez grupę z IChF PAN i Uniwersytetu w Fuzhou, jest prosta. Gdy na półprzewodnik – tlenek cynku ZnO lub siarczek kadmu CdS – pada foton o odpowiedniej energii, powstaje para elektron-dziura. W normalnych warunkach praktycznie od razu dochodziłoby do jej rekombinacji i energia słoneczna byłaby tracona. Jednak w nowym materiale elektrony, uwolnione w obu półprzewodnikach wskutek oddziaływania z fotonami, szybko spływają wzdłuż nanoprętów do podłoża grafenowego, które jest świetnym przewodnikiem. Rekombinacja nie może wtedy zajść i elektrony można wykorzystać do tworzenia nowych wiązań chemicznych, a więc do syntezy nowych związków. Właściwa reakcja chemiczna zachodzi na powierzchni grafenowej, wcześniej pokrytej substancjami organicznymi, które mają być przetwarzane.

Tlenek cynku reaguje tylko na promieniowanie ultrafioletowe, obecne w świetle słonecznym w ilości nieprzekraczającej kilku procent. Dlatego naukowcy z IChF PAN i Uniwersytetu w Fuzhou dodatkowo pokryli lasy nanoprętów wydzieleniami siarczku kadmu. Oddziałują one przede wszystkim ze światłem widzialnym, którego jest ok. 10 razy więcej niż ultrafioletu – i to one są głównym dostarczycielem elektronów dla reakcji chemicznych.

Innowacyjny, trójwymiarowy fotokatalizator, opracowany w Instytucie Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk w Warszawie i Fuzhou University w Chinach, reaguje głównie ze światłem widzialnym i aktywuje nowe wiązania chemiczne, które magazynują energię słoneczną. Model na zdjęciu przedstawia płaszczyznę grafenową (czarna płyta) pokrytą nanoprętami tlenku cynku (zielone pręty). (Źródło: IChF PAN, Grzegorz Krzyżewski)

 – Nasz materiał fotokatalityczny pracuje z dużą wydajnością. Zwykle dodajemy go do przetwarzanych związków w proporcji mniej więcej 1:10. Po ekspozycji na promieniowanie słoneczne w ciągu nie więcej niż pół godziny przetwarzamy 80%, a niekiedy nawet ponad 90% substratów – podkreśla prof. Yi-Jun Xu z Wydziału Chemii Uniwersytetu w Fuzhou w Chinach, gdzie zrealizowano znaczną część badań eksperymentalnych.

 – Ogromną zaletą naszego fotokatalizatora jest łatwość jego produkcji. Grafen nadający się do zastosowań w fotochemii jest dziś dostępny bez większych problemów i wcale nie jest drogi. Natomiast wymyślony przez nas proces pokrywania grafenu plantacjami nanoprętów tlenku cynku, na których następnie osadzamy wydzielenia siarczku kadmu, jest szybki, efektywny, przebiega w temperaturze niewiele wyższej od pokojowej, przy zwykłym ciśnieniu, nie wymaga też żadnych wyrafinowanych substratów – zauważa z kolei dr hab. inż. Juan Carlos Colmenares, prof. IChF PAN.

Dla zastosowań na szerszą skalę ważny jest fakt, że nowy fotokatalizator zużywa się wolno. Z przeprowadzonych doświadczeń wynika, że dopiero po szóstym-siódmym użyciu dochodzi do niewielkiego spadku wydajności reakcji, o ok. 10%.

Umiejętnie wykorzystany, nowy fotokatalizator 3D może znacząco wpłynąć na przebieg reakcji chemicznych. Jego użycie np. w przemyśle farmaceutycznym mogłoby zmniejszyć liczbę etapów produkcji niektórych związków farmakologicznych z kilkunastu do zaledwie kilku.

Nowatorski fotokatalizator 3D, opracowany w Instytucie Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk w Warszawie i Fuzhou University w Chinach, łączy zalety struktur 0D (punktowych wydzieleń siarczku kadmu), 1D (nanoprętów tlenku cynku) i 2D (grafenu), co umożliwia efektywne tworzenie nowych związków chemicznych. (Źródło: IChF PAN, Fuzhou University)

Zdjęcie mikroskopowe nowatorskiego fotokatalizatora 3D, opracowanego w Instytucie Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk w Warszawie i Fuzhou University w Chinach. (Źródło: IChF PAN, Fuzhou University)