Oamenii de știință au descoperit o nouă metodă eficientă de a transforma lumina solară în combustibil

Fotocataliza oferă o modalitate promițătoare de a transforma cantitatea vastă de lumină solară în energie chimică utilă, potrivit Science Daily.

Printre materialele care atrag o atenție din ce în ce mai mare se numără imidele de poliheptazină, care au caracteristici structurale și funcționale ce le fac deosebit de eficiente pentru reacțiile fotocatalitice.

Până de curând, oamenii de știință aveau doar o înțelegere limitată a modului în care schimbările din structura lor influențează comportamentul electronic și optic al multor materiale posibile din această familie.

Cercetătorii au introdus acum o abordare teoretică fiabilă și reproductibilă pentru a aborda această problemă. Previziunile lor au fost validate prin măsurători efectuate pe probe reale de material.

Echipa consideră că acest progres ar putea accelera semnificativ cercetarea privind imidele de poliheptazină și ar putea stimula o creștere rapidă în acest domeniu.

Imidele de poliheptazină aparțin clasei mai largi a nitrurilor de carbon. Aceste materiale constau din structuri stratificate care seamănă cu grafenul, dar sunt construite din unități moleculare în formă de inel, bogate în azot.

Deși grafenul este cunoscut pentru conductivitatea electrică excepțională, acesta nu funcționează bine ca fotocatalizator. Imidele de poliheptazină diferă într-un mod crucial. Bandele lor de interdicție electronică le permit să absoarbă lumina vizibilă, ceea ce le face potrivite pentru reacții chimice determinate de lumina solară.

Materialele din nitrură de carbon oferă, de asemenea, mai multe avantaje practice. Sunt relativ ieftine de produs, netoxice și stabile termic. Cu toate acestea, versiunile timpurii ale acestor materiale nu au funcționat bine ca fotocatalizatori, deoarece proprietățile lor interne limitau separarea eficientă a sarcinilor.

Când un foton lovește un material, acesta poate excita un electron și îl poate îndepărta de la poziția sa inițială, lăsând în urmă o gaură încărcată pozitiv. Dacă electronul se recombină rapid cu gaura, energia este eliberată doar sub formă de căldură sau lumină, în loc să genereze reacții chimice.

Modelarea pe calculator accelerează căutarea unor catalizatori mai performanți

Sunt necesare materiale îmbunătățite pentru a valorifica potențialul economic al mai multor procese fotocatalitice.

Acestea includ scindarea apei (pentru a produce hidrogen ca combustibil), reducerea dioxidului de carbon (pentru a produce carbohidrați de bază ca combustibili sau substanțe chimice industriale) și producția de peroxid de hidrogen (ca substanță chimică industrială de bază).

Proiectarea unui catalizator de imidă de poliheptazină care să funcționeze bine pentru o reacție specifică necesită un control atent asupra multor aspecte ale structurii sale. Crearea și testarea fiecărui material candidat posibil în laborator ar fi nerealistă. Prin urmare, metodele computationale joacă un rol esențial în restrângerea posibilităților.

Experimentele confirmă predicțiile teoretice

Folosind abordarea lor computațională, cercetătorii au explorat modul în care diferiți ioni metalici modifică structura rețelei de poliheptazină imidă. Analiza lor a relevat că introducerea ionilor poate provoca schimbări structurale măsurabile, inclusiv modificări ale distanței dintre straturi și modificări ale mediilor locale de legătură.

Aceste variații structurale influențează direct structura benzii electronice și proprietățile optice ale materialelor, afectând eficiența cu care acestea captează lumina.

Pentru a-și testa predicțiile, echipa a sintetizat opt materiale de poliheptazină imidă, fiecare incorporând un ion metalic diferit. Materialele au fost apoi evaluate în ceea ce privește capacitatea lor de a cataliza producția de peroxid de hidrogen.