Rewolucyjny materiał PAN: "Plantacje nanoprętów na dywanach grafenu". Do czego służy?

Fotokataliza to przyspieszenie reakcji niektórych związków dzięki promieniom UV. Nowatorski materiał Instytutu Chemii Fizycznej PAN w Warszawie i Uniwersytetu w Fuzhou pozwoli na skrócenie produkcji niektórych związków.

„Dziwny to las. Proste, jednorodnie rozmieszczone pnie wyrastają z płaskiego podłoża, by piąć się, długimi nanometrami ku górze, gdzie korony półprzewodnikowych wydzieleń chciwie wyłapują każdy słoneczny promień. 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).” – poinformował Instytut w komunikacie.

Wszystko brzmi bardzo skomplikowanie jednak zasada działania jest prosta. 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.
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.

„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.

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.