2 w 1: tania ekstrakcja związków chemicznych niezbędnych w wielu gałęziach przemysłu oraz usuwanie zanieczyszczeń z wody. Wszystko dzięki fotokatalizatorowi opracowanemu przez naukowców z Instytutu Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk. Zdjęcie: Grzegorz Krzyżewski
Naukowcy z Instytutu Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk zademonstrowali, jak wytworzyć fotokatalizator – azotek węgla – o strukturze pełnej niedoskonałości, tzw. defektów. Okazuje się, że radzi sobie on lepiej z generowaniem reakcji chemicznych zasilanych energią słoneczną niż jego odpowiednik pozbawiony defektów.
A co, gdyby szkodliwe zanieczyszczenia w zbiornikach wodnych lub ściekach przemysłowych uległy rozkładowi za pomocą światła słonecznego? I co więcej, w wyniku tego procesu powstawałyby związki chemiczne przydatne w różnych gałęziach przemysłu, takie jak wodór czy nadtlenek wodoru? Właśnie w tym kierunku zmierzają badania zespołu profesora Juana Carlosa Colmenaresa z Instytutu Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk, jak donosi komunikat prasowy jego instytutu.
Fotokatalizatory to materiały, które wykorzystują energię świetlną w stopniu wystarczającym do wywołania pożądanych reakcji chemicznych w danym środowisku. Fotokatalizatory składają się ze związków półprzewodnikowych, zazwyczaj na bazie metali (np. tlenków lub siarczków), co nie jest pożądane, gdy fotokatalizator przestaje działać i staje się odpadem.
Na szczęście wśród związków wykazujących właściwości półprzewodnikowe istnieją również związki organiczne – zawierające heteroatomy – o unikalnej strukturze. Jednym z takich związków jest grafitowy azotek węgla, znany również jako azotek węgla (CN), który składa się wyłącznie z węgla i azotu. Materiał ten tworzy strukturę polimeryczną.
Ten niezawierający metali półprzewodnik charakteryzuje się wysoką stabilnością chemiczną i niską energią aktywacji, co umożliwia jego stosowanie w procesach zasilanych energią słoneczną.
Materiał ten ma jednak wady: nieefektywny transfer elektronów i rekombinację generowanych nośników ładunku. To znacznie obniża wydajność reakcji fotoprzyspieszanych. Aby przezwyciężyć te ograniczenia, podejmowane są liczne próby zwiększenia liczby defektów w strukturze materiału, zwiększając w ten sposób powierzchnię czynną w całym materiale i poprawiając skuteczność fotokatalizatora.
Niedawno prof. Juan Carlos Colmenares z Instytutu Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk wraz ze swoim zespołem wprowadził defekty strukturalne do materiału polimerowego CN, aby zwiększyć jego wydajność fotokatalityczną. Naukowcy zaprezentowali proste i skuteczne podejście oparte na jednoczesnej polimeryzacji dwóch monomerów (na bazie dwóch triazyn) poprzez polimeryzację termiczną.
Defekty strukturalne powstają na etapie syntezy materiału. Stanowi to uproszczenie w porównaniu z tradycyjnymi metodami, w których defekty są wprowadzane dopiero po syntezie, zazwyczaj w dodatkowym etapie, często obejmującym agresywne chemikalia i wysokie temperatury.
Według komunikatu Instytutu Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk, zsyntetyzowany defektowany CN (d-CN) ma znacznie większą powierzchnię właściwą niż CN bez defektów: 134 m²/g. Oznacza to, że powierzchnia materiału zawarta w zaledwie jednym gramie jest większa niż powierzchnia klasycznego kortu do badmintona lub wygodnego, pięcioosobowego mieszkania! Dzieje się tak, ponieważ materiał ten jest pełen porów – jego struktura przypomina „gąbkę”. Dzięki temu reagenty mają lepszy dostęp do powierzchni katalizatora podczas reakcji.
Wadliwy d-CN przewyższył wszystkie wcześniej opisane fotokatalizatory na bazie CN w produkcji nadtlenku wodoru (H2O2), ważnego utleniacza. Wydajność uzyskana przy użyciu d-CN była ponad sześciokrotnie wyższa niż w przypadku najbardziej znanych alternatyw, informują przedstawiciele IChF PAN.
Co ważne, materiał ten działa znacznie skuteczniej niż „czysty” CN w łagodnych, zrównoważonych warunkach – bez konieczności stosowania agresywnych utleniaczy lub rozpuszczalników organicznych. Wystarczy woda i dioda LED o mocy 0,45 W o widzialnym spektrum w temperaturze pokojowej.
Dzięki takiemu fotokatalizatorowi możliwe jest wytwarzanie paliw i cennych substancji chemicznych z zanieczyszczonej wody, przy jednoczesnym jej oczyszczaniu.
Na przykład alkohol benzylowy – wytwarzany jako zanieczyszczający produkt uboczny w przemyśle celulozowym – może być wykorzystywany do produkcji benzaldehydu, który z kolei jest szeroko stosowany w przemyśle farmaceutycznym i spożywczym, a także w produkcji perfum i perfum. Co więcej, możliwe jest jednoczesne wytwarzanie wodoru (H2) i/lub nadtlenku wodoru (H2O2), jak podano w komunikacie prasowym.
Wyniki badań opublikowano w czasopiśmie Chemical Communications. (PAP)
lt/ zan/
