Forskere justerer optiske og fotokatalytiske egenskaber ved C-prikker

Som Ludwig Maximilian University i München fysikere demonstrerer i en ny undersøgelse, de optiske og fotokatalytiske egenskaber ved såkaldte kulstofprikker kan præcist indstilles ved at kontrollere positionerne af nitrogenatomer, der indføres i deres struktur.

Takket være deres usædvanlige optiske egenskaber, kulpartikler med diametre i størrelsesordenen få nanometer - såkaldte C -prikker - viser stort løfte for en lang række teknologiske anvendelser, lige så forskelligartet som energiomdannelse og bio-billeddannelse. I øvrigt, C-prikker har flere praktiske fordele i forhold til sammenlignelige materialer, for så vidt de er lette at fremstille, stabil og indeholder ingen giftige tungmetaller. Deres alsidighed skyldes i høj grad, at de - afhængigt af deres kemiske sammensætning og aspekter af deres komplekse struktur - enten kan fungere som lysudsendere i form af fotoluminescens eller fungere som fotokatalysatorer ved at absorbere lysenergi og udløse kemiske reaktioner, såsom vandspaltning. Imidlertid, de faktorer, der bestemmer disse forskellige egenskaber, er ikke godt forstået. Nu har LMU -fysikere ledet af Dr. Jacek Stolarczyk kigget nærmere på mekanismerne bag disse meget forskellige egenskaber. Deres undersøgelse, som vises online i journalen Naturkommunikation , viser, at disse nanomaterialers fysisk -kemiske egenskaber enkelt og præcist kan indstilles ved at indføre nitrogenatomer i deres komplekse kemiske struktur på en kontrolleret måde.

"Indtil nu, C-prikker er typisk blevet optimeret på grundlag af princippet om forsøg og fejl, "siger Stolarczyk." For at komme ud over denne fase, det er vigtigt at få en detaljeret forståelse af de mekanismer, der ligger til grund for deres forskellige optiske egenskaber. "Undersøgelsen blev udført som en del af det tværfaglige projekt" Solar Technologies Go Hybrid "(SolTech) koordineret af prof. Jochen Feldmann. SolTech er finansieret af staten Bayern for at undersøge innovative koncepter for omdannelse af solstråling til elektricitet og brug af ikke-fossilt, og helst ikke-toksisk og rigeligt tilgængelig, brændstofkilder til lagring af energi. C-prikker er i mange henseender ideelt egnet til sådanne applikationer.

C-prikker består af netværk af polycykliske aromatiske carbonforbindelser, hvis komplekse interaktioner bestemmer, hvordan de reagerer på lys. I den nye undersøgelse, forskerne i München syntetiserede deres C-prikker ved at kombinere citronsyre som et kulstofskelet med et forgrenet, nitrogenholdig polymer, og bestråling af blandingen med mikrobølger. I en række forsøg, de varierede systematisk koncentrationen af ​​polymeren i blandingen, sådan, at forskellige mængder nitrogen blev inkorporeret i kulstofnetværkerne. De fandt ud af, at de præcise betingelser, der blev anvendt, havde en kritisk indvirkning på inkorporeringsmåden for nitrogen i kulstofgitterne, der udgør C-prikkerne, dvs. om det erstattede et af carbonatomerne, der danner de sammenkoblede 6-ledede carbonringe, der ligner små grafenflager, eller i de 5- og 6-ledede ringe, der findes på de frie kanter af de aromatiske strukturer.

"Vores undersøgelse viste, at det kemiske miljø for de inkorporerede nitrogenatomer har en afgørende indflydelse på egenskaberne af de resulterende C-prikker, "siger Dr. Santanu Bhattacharyya, den første forfatter til papiret og Alexander-von-Humboldt-stipendiat i forskergruppen til professor Jochen Feldmann. Indarbejdelse i de grafenlignende strukturer, findes ved mellemliggende polymerkoncentrationer, førte til prikkerne, der overvejende udsender blå fotoluminescens, når de bestråles med lys med en passende bølgelængde. På den anden side, inkorporering ved kantpositioner, findes for enten meget høje eller meget lave mængder af polymeren, undertrykte fotoluminescens og resulterede i C-prikker, der fotokatalytisk reducerede vand til hydrogen i stedet. Med andre ord, C-prikkers optiske egenskaber kan ændres efter behag ved at variere detaljerne i den procedure, der bruges til at syntetisere dem. Medlemmerne af LMU -teamet mener, at deres seneste indsigt vil stimulere yderligere arbejde med brugen af ​​disse spændende nanomaterialer, både som fotoluminescerende lyskilder og som fotokatalysatorer i energiomdannelsesprocesser.