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.

The innovative 3D photocatalytic material, developed by scientists from the Institute of Physical Chemistry of the Polish Academy of Sciences in Warsaw, Poland, and the Fuzhou University, China, reacts primarily with visible light and activates new chemical compounds which store solar energy. The model pictured above shows graphene (black plate) and nanorods of zinc oxide (green rods). (Source: IPC PAS, Grzegorz Krzy¿ewski) Innowacyjny, trójwymiarowy fotokatalizator, opracowany w Instytucie Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk w Warszawie i Fuzhou University w Chinach, reaguje g³ównie ze œwiat³em widzialnym i aktywuje nowe wi¹zania chemiczne, które magazynuj¹ energiê s³oneczn¹. Model na zdjêciu przedstawia p³aszczyznê grafenow¹ (czarna p³yta) pokryt¹ nanoprêtami tlenku cynku (zielone prêty). (ród³o: IChF PAN, Grzegorz Krzy¿ewski)

Model na zdjęciu przedstawia płaszczyznę grafenów (czarna płyta) pokrytą nanoprętami tlenku cynku (zielone pręty). (źródło: IChF PAN, Grzegorz Krzyżewski)

„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.


Uwaga! Wszelkie prawa zastrzeżone. Kopiując treści i grafikę z naszej strony akceptujesz warunki umowy licencyjnej.

Copyright © 2016-2019 warszawawpigulce.pl  ∗  Polityka prywatności  ∗  Powered by BLUEICE Warszawę w Pigułce obsługuje Biuro Rachunkowe MP-Consulting i Partnerzy s.c.
c