Фотокатализата нуди ветувачки начин за претворање на огромната енергија на сончевата светлина во корисна хемиска енергија. Меѓу материјалите што сè повеќе го привлекуваат вниманието на научниците се полиheptazine имидите, кои со своите структурни и функционални особини се особено погодни за фотокаталитички реакции. До неодамна, сепак, постоеше ограничено разбирање за тоа како промените во нивната структура влијаат врз електронското и оптичкото однесување кај многубројните можни варијанти на овие материјали.
Истражувачи предводени од тимот на Центарот за напредно разбирање на системите (CASUS) при Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) сега воведоа сигурен и репродуцируем теоретски пристап за да го решат овој проблем. Нивните предвидувања беа потврдени со мерења на реални примероци од материјал. Тимот смета дека овој напредок може значително да го забрза истражувањето на полиheptazine имидите и да поттикне брз раст на ова поле.
Јаглеродни нитридни материјали и апсорпција на видлива светлина
Полиheptazine имидите припаѓаат на пошироката класа јаглеродни нитриди. Овие материјали се состојат од слоевити структури што потсетуваат на графен, но се изградени од прстенести молекуларни единици богати со азот.
Иако графенот е познат по извонредната електрична спроводливост, тој не функционира добро како фотокатализатор. Полиheptazine имидите се разликуваат во клучен аспект: нивниот електронски банд-јаз им овозможува да апсорбираат видлива светлина, што ги прави погодни за реакции поттикнати од сончева светлина.
Јаглеродните нитридни материјали нудат и неколку практични предности. Тие се релативно евтини за производство, нетоксични и термички стабилни. Сепак, раните верзии на овие материјали не покажуваа добри резултати како фотокатализатори бидејќи нивните внатрешни својства ја ограничуваа ефикасната сепарација на полнежот.
Кога фотон ќе удри во материјал, може да возбуди електрон и да го помести од првобитната положба, оставајќи зад себе позитивно наелектризирана дупка. Ако електронот брзо се рекомбинира со дупката, енергијата се ослободува само како топлина или светлина, наместо да поттикне хемиска реакција.
„Полиheptazine имидите што содржат позитивно наелектризирани метални јони покажуваат значително подобрена сепарација на полнежот. Оваа особина ги прави многу погодни за практични примени“, вели првата авторка д-р Захра Хаџиахмади.
Компјутерското моделирање ја забрзува потрагата по подобри катализатори
Потребни се подобрени материјали за да се отклучи економскиот потенцијал на неколку фотокаталитички процеси. Тука спаѓаат разделување на вода за производство на водород како гориво, редукција на јаглерод диоксид за добивање основни јаглехидрати како горива или индустриски хемикалии, како и производство на водороден пероксид како важна индустриска хемикалија.
Дизајнирањето полиheptazine имиден катализатор што е ефикасен за одредена реакција бара внимателна контрола на многу структурни аспекти. Создавањето и тестирањето на секој можен кандидат во лабораторија би било нереално, па затоа пресметковните методи играат суштинска улога во стеснувањето на изборот.
„Просторот на можни решенија е огромен“, објаснува проф. Томас Д. Кјухне, директор на CASUS, раководител на истражувачката група „Theory of Complex Systems“ и главен автор на студијата. „На пример, може да се додаваат функционални групи на површината или да се заменат одредени азотни или јаглеродни атоми со кислородни или фосфорни атоми.“
Истражувачката група на Кјухне развива напредни нумерички техники дизајнирани истовремено да бидат ефикасни и доволно прецизни за верно да го репродуцираат хемиското и физичкото однесување на сложени материјали.
Систематско тестирање на 53 метални јони
Карактеристична особина на полиheptazine имидите е присуството на негативно наелектризирани пори во материјалот. Во овие пори можат да се сместат позитивно наелектризирани метални јони, кои значително можат да ја подобрат каталитичката ефикасност.
Работата на Хаџиахмади е прва сеопфатна студија за тоа како различни метални јони влијаат врз оптоелектронските својства на овие материјали. Во истражувањето беа анализирани вкупно 53 метални јони, според тоа каде се наоѓаат во структурата (во рамнина или меѓу слоевите) и како ја менуваат геометријата на материјалот (со деформација или без неа).
„Користевме сигурна и репродуцируема компјутерска рамка што оди подалеку од конвенционалните модели“, вели Хаџиахмади. „Стандардните пресметковни студии на фотокатализатори обично се фокусираат на својствата во основната состојба и ги занемаруваат ефектите од возбудената состојба, иако фотокатализата по своја природа е управувана од фото-возбудени носители на полнеж. Конкретно, користиме методи од теоријата на пертурбации за многу тела.“
Овие методи почнуваат со поедноставен моделски систем што не ги вклучува интеракциите меѓу честичките. Потоа интеракциите се додаваат како мали корекции, што им овозможува на истражувачите да приближат како голем број честички взаемно си влијаат. Иако ваквите пресметки бараат значителна компјутерска моќ и ретко се применуваат во ова поле, новата студија ја покажува нивната вредност. Рамката овозможува прецизен опис на тоа како овие материјали апсорбираат светлина и како се однесува нивната електронска структура под осветлување.
Експериментите ги потврдија теоретските предвидувања
Со помош на нивниот пресметковен пристап, истражувачите испитуваа како различни метални јони ја менуваат структурата на полиheptazine имидната мрежа. Анализата откри дека внесувањето јони може да предизвика мерливи структурни промени, вклучувајќи поместувања во растојанието меѓу слоевите и измени во локалното сврзување. Овие структурни варијации директно влијаат врз електронската зонска структура и оптичките својства на материјалите, а со тоа и врз ефикасноста со која ја фаќаат светлината.
За да ги тестираат предвидувањата, тимот синтетизираше осум полиheptazine имидни материјали, секој со различен метален јон. Потоа материјалите беа проценети според нивната способност да катализираат производство на водороден пероксид.
„Резултатите јасно покажаа висока согласност со нашите предвидувања и ги надминаа споредбените пресметковни методи“, заклучува Хаџиахмади.
Кјухне додава: „Ако имало некакво сомневање дека полиheptazine имидите се една од најперспективните платформи за фотокаталитички технологии од следната генерација, верувам дека оваа работа го отстрани. Патот кон насочен дизајн на ефикасни полиheptazine имидни фотокатализатори за одржливи реакции сега е појасен. Силно верувам дека ќе се користи често и успешно.“
