A gdyby tak szkodliwe zanieczyszczenia w zbiornikach wodnych lub odpadach przemysłowych były degradowane za pomocą światła słonecznego? A w dodatku w procesie tym powstawały przydatne w różnych branżach związki chemiczne, takie jak wodór czy nadtlenek wodoru? W tę stronę idą badania zespołu prof. Juana Carlosa Colmenaresa z Instytutu Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk - czytamy w komunikacie jego instytutu.

Fotokatalizatory to materiały, które sprawiają, że energia ze światła wystarcza, aby w jakimś środowisku zaczęły zachodzić jakieś pożądane reakcje chemiczne. W skład fotokatalizatorów wchodzą związki, będące półprzewodnikami - na ogół bazie metali (np. tlenki czy siarczki), co nie jest zbyt pożądaną sytuacją, kiedy fotokatalizator zakończy pracę i stanie się odpadem.

Na szczęście wśród związków wykazujących właściwości półprzewodnikowe znajdują się też związki organiczne - zawierające heteroatomy - i charakteryzujące się unikalną strukturą. Jednym z nich jest grafitowy azotek węgla, znany również jako azotek węgla (CN), który oparty jest wyłącznie na węglu i azocie. Materiał ten tworzy strukturę polimerową.

Ten niezawierający metali półprzewodnik cechuje wysoka stabilność chemiczna oraz niska energii aktywacji, co umożliwia jego zastosowanie w procesach napędzanych energią słoneczną.

Materiał ten ma jednak wady - to mało efektywny transfer elektronów i rekombinacja wygenerowanych nośników ładunku. One znacząco obniżają efektywność reakcji przyspieszanych pod wpływem światła. Aby pokonać te ograniczenia, podejmowane są liczne działania, aby zwiększać liczbę defektów w strukturze materiału, a tym samym na powiększać powierzchnię aktywną w całej objętości materiału i poprawić skuteczność fotokatalizatora.

Ostatnio prof. Juan Carlos Colmenares z Instytutu Chemii Fizycznej PAN wraz z zespołem wprowadził defekty strukturalne do polimerowego materiału CN, aby zwiększyć jego efektywność fotokatalityczną. Badacze zaprezentowali proste i skuteczne podejście, oparte na jednoczesnej polimeryzacji dwóch monomerów (na bazie dwóch triazyn) metodą polimeryzacji termicznej.

Defekty strukturalne tworzone są już na etapie syntezy materiału. Stanowi to uproszczenie w porównaniu z tradycyjnymi metodami, w których defekty wprowadza się dopiero po syntezie, zazwyczaj w dodatkowym etapie, często z użyciem agresywnych chemikaliów i wysokiej temperatury.

Jak czytamy w informacji z IChF PAN, syntetyzowany zdefektowany CN (d-CN) - w porównaniu do CN bez defektów, charakteryzuje się znacznie większą powierzchnią właściwą: 134 m2/g. A to oznacza, że powierzchnia materiału zwarta w zaledwie jednym jego gramie, jest większa niż powierzchnia klasycznego boiska do badmintona lub komfortowego pięcioosobowego mieszkania! A to dlatego, że materiał ten jest pełen porów - jego struktura przypomina "gąbkę". Dzięki temu reagenty mają lepszy dostęp do powierzchni katalizatora podczas reakcji.

Zdefektowany d-CN przewyższył wszystkie wcześniej opisane fotokatalizatory oparte na CN w produkcji nadtlenku wodoru (H2O2) - ważnego utleniacza. Wydajność uzyskana przy użyciu d-CN była ponad sześciokrotnie wyższa niż w przypadku najlepszych znanych dotąd alternatyw - informują przedstawiciele IChF PAN.

Co istotne, materiał działa znacznie skuteczniej niż "czysty" CN w łagodnych, zrównoważonych warunkach – bez potrzeby stosowania agresywnych utleniaczy i rozpuszczalników organicznych. Wystarczy tylko woda i źródło światła LED o mocy 0,45 W w zakresie widzialnym, w temperaturze pokojowej.

Dzięki takiemu fotokatalizatorowi możliwa staje się produkcja paliw i cennych chemikaliów z zanieczyszczonej wody przy jednoczesnym jej oczyszczaniu.

Przykładowo z alkoholu benzylowego - generowanego jako produkt uboczny zanieczyszczający środowisko, m.in. w przemyśle celulozowym - można uzyskać benzaldehyd, który z kolei znajduje szerokie zastosowanie w przemyśle farmaceutycznym, spożywczym oraz w produkcji zapachów i perfum. Dodatkowo możliwa jest równoczesna produkcja wodoru (H2) i/lub nadtlenku wodoru (H2O2) - czytamy w komunikacie.