11 lis 2015 / PAP /

Plantacje nanoprętów na dywanach grafenu przechwycą energię Słońca

Nowatorski materiał fotokatalityczny, który może przyspieszać reakcje chemiczne, opracowała grupa naukowców z Instytutu Chemii Fizycznej PAN w Warszawie i Uniwersytetu w Fuzhou. Jego użycie np. w przemyśle farmaceutycznym pozwoli skrócić produkcję niektórych związków.

Grupa naukowców z Instytutu Chemii Fizycznej (IChF) PAN w Warszawie i Uniwersytetu w Fuzhou opracowała nowatorski materiał fotokatalityczny: połacie nanoprętów tlenku cynku, wyhodowanych na podłożu grafenowym i "udekorowanych" kropkami siarczku kadmu. W obecności promieniowania słonecznego taka kombinacja zero- i jednowymiarowych struktur półprzewodnikowych z dwuwymiarowym grafenem świetnie katalizuje wiele reakcji chemicznych - poinformował Instytut w przesłanym PAP komunikacie.

Plantacje nanoprętów na dywanach grafenu przechwycą energię Słońca

Nowy materiał fotokatalityczny, skonstruowany przez naukowców z Instytutu Chemii Fizycznej PAN (IChF PAN) w Warszawie i Wydziału Chemii Uniwersytetu w Fuzhou w Chinach, pod mikroskopem wygląda jak dziwny las: proste, jednorodnie rozmieszczone pnie wyrastają z płaskiego podłoża, pnąc się ku górze na wysokość mierzoną w nanometrach, gdzie "korony" półprzewodnikowych wydzieleń wyłapują każdy słoneczny promień.

Ten nowatorski materiał zaprojektowano w taki sposób, by 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) - czytamy w informacji prasowej.

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 dwutlenek węgla do metanolu, syntetyzować paliwa lub wytwarzać cenne półprodukty organiczne dla przemysłu chemicznego czy farmaceutycznego.

Plantacje nanoprętów na dywanach grafenu przechwycą energię Słońca

"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, a 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" - czytamy w komunikacie.

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 proc., a niekiedy nawet ponad 90 proc. 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" - zauważa z kolei dr hab. inż. Juan Carlos Colmenares, prof. IChF PAN.

"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" - dodaje Colmenares.

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

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.

www.naukawpolsce.pap.pl

Góra
Komentarze
Brak komentarzy, podziel się swoją opinią jako pierwszy....
Wideo
RELACJA Z TARGÓW ŚWIATŁO 2015
Targi Poznańskie - pasja w działaniu!

Kalendarium

Nowe firmy