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)
