Oamenii de știință au descoperit o nouă modalitate de a transforma lumina soarelui în combustibil
Fotocataliza este procesul prin care lumina declanșează reacții chimice, iar controlul acesteia este una dintre cele mai interesante provocări ale științei moderne.
Dacă putem transforma lumina soarelui în energie chimică eficient și ieftin, putem produce hidrogen din apă, putem transforma dioxidul de carbon în substanțe utile și putem produce substanțe chimice industriale precum peroxidul de hidrogen, toate folosind energia soarelui. Materialele din familia poliheptazinei iminelor pot juca un rol cheie în acest sens, iar noi lucrări de la Centrul de Cercetare a Sistemelor Avansate (CASUS) de la Institutul Helmholtz din Dresda-Rossendorf aduce acest punct mult mai aproape.
Iminele poliheptazinei aparțin unei clase de nitruri de carbon – materiale stratificate asemănătoare grafenului, dar construite din blocuri moleculare în formă de inel bogate în azot. Spre deosebire de grafen, care este un excelent conductor de curent, dar nu este potrivit pentru fotocataliză, iminele poliheptazinice sunt capabile să absoarbă lumina vizibilă – tocmai intervalul în care Soarele emite cea mai mare energie. În plus, sunt ieftine, non-toxice și stabile termic.
Cu toate acestea, versiunile timpurii ale acestor materiale nu au funcționat foarte eficient: energia luminoasă absorbită s-a pierdut rapid deoarece electronii excitați s-au contopit cu „găurile” încărcate pozitiv prea devreme, înainte de a începe reacția chimică. Soluția a fost găsită în ionii metalici: încorporarea acestora în structura materialului poate îmbunătăți semnificativ separarea sarcinii.
IMG1 IMG1 Trei straturi de rețea polimerică poliheptazinimidă dopată cu ioni de argint. În acest exemplu, ionii metalici sunt localizați între straturi, provocând expansiunea rețelei și distorsiunea structurală. Cu toate acestea, baza polimerică rămâne neschimbată. Se modifică doar geometria porilor.Sursa: B. Schröder/HZDR
Problema este că există un număr mare de opțiuni de modificare. Puteți schimba ionii metalici, puteți adăuga grupuri funcționale sau puteți înlocui atomii de carbon sau azot cu oxigen sau fosfor. Este pur și simplu nerealist să treci prin toate combinațiile într-un cadru de laborator. Prin urmare, o echipă condusă de profesorul Thomas Kühne a dezvoltat o abordare computațională care face posibilă prezicerea în mod fiabil a proprietăților materialelor înainte ca acestea să fie sintetizate în laborator.
Coautorul Dr. Zahra Hajiahmadi a analizat sistematic efectele a 53 de ioni de metal diferiți asupra proprietăților optice și electronice ale iminelor poliheptazinei. „Am folosit metode ale teoriei perturbațiilor cu mai multe corpuri care depășesc abordările standard și iau în considerare comportamentul materialului în lumină reală, nu doar starea fundamentală”, explică ea.
Predicțiile au fost testate experimental: oamenii de știință au sintetizat opt materiale cu ioni metalici diferiți și le-au testat în reacția de a produce peroxid de hidrogen. Acordul a fost ridicat – calculele au depășit metodele de calcul concurente.
