Plantager af nanoroder på tæpper af grafen fanger solens energi

Solen kan være en bedre kemiker, takket være zanoxid -nanorod -arrays dyrket på et grafensubstrat og "dekoreret" med prikker af cadmiumsulfid. I nærvær af solstråling, denne kombination af nul- og endimensionelle halvlederstrukturer med todimensionel grafen er en stor katalysator for mange kemiske reaktioner. Det innovative fotokatalytiske materiale er udviklet af en gruppe forskere fra Institute of Physical Chemistry ved det polske videnskabsakademi i Warszawa og Fuzhou University i Kina.

Det er en mærkelig skov. Enkel, ensartet fordelte kufferter vokser fra en flad overflade, stigende lange nanometre opad, hvor kroner af halvledere grådigt fanger hver solstråle. Det er opfattelsen set gennem et mikroskop af det nye fotokatalytiske materiale, udviklet af forskere fra Institute of Physical Chemistry ved det polske videnskabsakademi (IPC PAS) i Warszawa, Polen, og State Key Laboratory of Photocatalysis on Energy and Environment, College of Chemistry ved Fuzhou University, Kina. Det nye 3D-materiale er designet således, at under behandlingen af ​​solenergi opnås det bedste samarbejde mellem prikkerne af cadmiumsulfid (såkaldte nul-dimensionelle strukturer), nanoroderne af zinkoxid (1D -strukturer), og grafen (2D -strukturer).

Metoderne til at konvertere lysenergi, der når Jorden fra Solen, kan opdeles i to grupper. I den fotovoltaiske gruppe, fotoner bruges til direkte generering af elektrisk energi. Den fotokatalytiske tilgang er anderledes:her stråling, både synligt og ultraviolet, bruges til at aktivere kemiske forbindelser og udføre reaktioner, der lagrer solenergi. På denne måde er det muligt f.eks. reducere CO2 til methanol, syntetisere brændstof eller producere værdifulde organiske mellemprodukter til den kemiske eller farmaceutiske industri.

Driftsprincippet for det nye, tredimensionel fotokatalysator, udviklet af gruppen fra IPC PAS og University of Fuzhou, er enkel. Når en foton med den passende energi falder på halvlederen - zinkoxid ZnO eller cadmiumsulfid CdS - dannes et elektronhullepar. Under normale omstændigheder ville det næsten øjeblikkeligt rekombineres, og solenergien ville gå tabt. Imidlertid, i det nye materiale elektroner - frigivet i begge halvledere som følge af interaktion med fotonerne - hurtigt strømme ned langs nanoroderne til grafenbasen, som er en fremragende dirigent. Rekombination kan ikke forekomme, og elektronerne kan bruges til at skabe nye kemiske bindinger og dermed til at syntetisere nye forbindelser. Den faktiske kemiske reaktion finder sted på overfladen af ​​grafen, tidligere belagt med de organiske forbindelser, der skal behandles.

Zinkoxid reagerer kun med ultraviolet stråling, hvoraf der kun er en lille procentdel i sollys. Derfor, forskere fra IPC PAS og Fuzhou University har også dækket nanorodskove med cadmiumsulfid. Dette reagerer primært med synligt lys, heraf er der ca. 10 gange mere end det ultraviolette - og dette er hovedleverandøren af ​​elektroner til de kemiske reaktioner.

"Vores fotokatalytiske materiale fungerer med et højt udbytte. Vi tilføjer det normalt til forbindelserne, der behandles i et forhold på ca. 1:10. Efter udsættelse for solstråling inden for ikke mere end en halv time behandler vi 80% og nogle gange endda mere end 90 % af substraterne, "understreger prof. Yi-Jun Xu (FRSC) fra Fuzhou University, hvor størstedelen af ​​eksperimenterne er blevet udført af forskergruppen ledet af ham.

"Den store fordel ved vores fotokatalysator er den lette fremstilling, "til gengæld bemærker prof. Juan Carlos Colmenares fra IPC PAS." Grafen egnet til applikationer inden for fotokemi er nu tilgængelig uden større problemer og er ikke dyrt. På tur, processen opfundet af os med at belægge grafen med plantager af zinkoxid -nanoroder, hvorpå vi efterfølgende deponerer cadmiumsulfid, er hurtig, effektiv, finder sted ved en temperatur, der er lidt højere end stuetemperatur, ved normalt tryk, og kræver ikke sofistikerede underlag. "

Til anvendelse i en større skala er det vigtigt, at den nye fotokatalysator indtages langsomt. De hidtil udførte forsøg viser, at først efter den sjette-syvende anvendelse sker der et let fald på ca. 10% i reaktionsudbyttet.

Dygtigt brugt, den nye 3D -fotokatalysator kan væsentligt ændre forløbet af kemiske reaktioner. Dens anvendelse, f.eks. i medicinalindustrien, kunne reducere antallet af produktionsstadier af visse farmakologiske forbindelser fra et dusin til blot et par stykker.