Фотокатализата се смета за една од најперспективните патишта за претворање на сончевата светлина во корисна хемиска енергија. Меѓу материјалите што привлекуваат сè поголемо внимание се полихептазин имидите — соединенија со слоевита структура и особини што ги прават особено погодни за реакции поттикнати од светлина.
До неодамна, научниците имаа ограничен увид во тоа како промените во нивната структура влијаат врз електронските и оптичките својства низ широкиот спектар на можни материјали од оваа фамилија. Тим предводен од Центарот за напредно разбирање на системи (CASUS) при Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) сега воведе сигурен и репродуцибилен теоретски пристап за решавање на овој проблем. Предвидувањата биле потврдени со мерења на реални примероци, а резултатите би можеле значително да ја забрзаат истражувачката работа во ова поле.
Јаглеродни нитриди што апсорбираат видлива светлина
Полихептазин имидите припаѓаат на пошироката група јаглеродни нитриди. Овие материјали се состојат од слоевити структури слични на графен, но изградени од прстенести молекуларни единици богати со азот.
Иако графенот е познат по исклучителната електрична спроводливост, тој не функционира добро како фотокатализатор. Полихептазин имидите се разликуваат во клучен аспект: нивниот енергетски процеп им овозможува да апсорбираат видлива светлина, што ги прави погодни за реакции поттикнати од сончева енергија.
Овие јаглеродни нитриди имаат и практични предности: релативно се евтини за производство, нетоксични и термички стабилни. Сепак, раните верзии не даваа високи фотокаталитички перформанси, бидејќи нивните внатрешни својства ја ограничуваа ефикасната сепарација на електричниот полнеж.
Кога фотон ќе удри во материјалот, може да возбуди електрон и да го одвои од неговата почетна 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.
„Полихептазин имидите што содржат позитивно наелектризирани метални јони покажуваат значително подобра сепарација на полнежот. Тоа ги прави многу погодни за практични примени“, вели првата авторка д-р Захра Хаџијахмади.
Компјутерското моделирање ја забрзува потрагата по подобри катализатори
Подобри материјали се неопходни за да се искористи економскиот потенцијал на повеќе фотокаталитички процеси. Тука спаѓаат разложувањето на водата за производство на водород како гориво, редукцијата на јаглерод диоксид за добивање основни јаглехидрати како горива или индустриски хемикалии, како и производство на водород пероксид како важна индустриска хемикалија.
Дизајнирањето на ефикасен полихептазин имиден катализатор за конкретна реакција бара прецизна контрола на повеќе структурни параметри. Создавањето и тестирањето на секој можен кандидат во лабораторија би било нереално, па затоа компјутерските методи играат клучна улога во стеснувањето на изборот.
„Просторот за дизајн е огромен“, објаснува проф. Томас Д. Кјухне, директор на CASUS, раководител на истражувачката група „Theory of Complex Systems“ и постар автор на студијата. „На пример, може да се додадат функционални групи на површината или да се заменат одредени азотни или јаглеродни атоми со атоми на кислород или фосфор.“
Истражувачката група на Кјухне развива напредни нумерички техники кои се и ефикасни и доволно прецизни за да го репродуцираат хемиското и физичкото однесување на сложени материјали.
Систематско тестирање на 53 метални јони
Карактеристична особина на полихептазин имидите е постоењето на негативно наелектризирани пори во материјалот. Во тие пори може да се сместат позитивно наелектризирани метални јони, кои значително ја подобруваат каталитичката ефикасност.
Работата на Хаџијахмади претставува прва сеопфатна студија за тоа како различни метални јони влијаат врз оптоелектронските својства на овие материјали. Во анализата биле испитани вкупно 53 метални јони, групирани според тоа каде се наоѓаат во структурата (во рамнината или меѓу слоевите) и како ја менуваат геометријата на материјалот (со изобличување или без него).
„Користевме сигурна и репродуцибилна компјутерска рамка што оди подалеку од стандардните моделирања“, вели Хаџијахмади. „Вообичаените компјутерски студии за фотокатализатори најчесто се фокусираат на основните состојби и ги занемаруваат ефектите од возбудената состојба, иако фотокатализата всушност е управувана од фото-возбудени носители на полнеж. Ние, конкретно, применуваме методи од теоријата на многутелесни пертурбации.“
Овие методи започнуваат со поедноставен модел без меѓучестички интеракции, а потоа интеракциите се додаваат како мали корекции. Иако ваквите пресметки бараат значителна компјутерска моќ и ретко се применуваат во оваа област, новата студија ја покажува нивната вредност. Рамката овозможува прецизен опис на тоа како материјалите ја апсорбираат светлината и како нивната електронска структура се однесува под осветлување.
Експериментите ги потврдуваат теоретските предвидувања
Со својот компјутерски пристап, истражувачите испитале како различни метални јони ја менуваат структурата на полихептазин имидната мрежа. Анализата открила дека вметнувањето на јони може да предизвика мерливи структурни промени, вклучувајќи поместување на растојанијата меѓу слоевите и измени во локалните врзувачки средини. Овие промени директно влијаат врз електронската зонска структура и оптичките својства на материјалите, а со тоа и врз ефикасноста со која ја заробуваат светлината.
За да ги проверат предвидувањата, тимот синтетизирал осум полихептазин имидни материјали, секој со различен метален јон. Потоа материјалите биле тестирани за нивната способност да катализираат производство на водород пероксид.
„Резултатите јасно покажаа висок степен на согласност со нашите предвидувања и беа подобри од конкурентните методи на пресметка“, заклучува Хаџијахмади.
Кјухне додава: „Ако постоеше каков било сомнеж дека полихептазин имидите се меѓу најперспективните платформи за фотокаталитички технологии од следната генерација, мислам дека оваа работа го отстрани. Патот кон насочен дизајн на ефикасни полихептазин имидни фотокатализатори за одржливи реакции сега е појасен. Верувам дека ќе се користи често и успешно.“
