Когда дефект лучше совершенства — время несовершенных катализаторов

Исследователи из ИХФ ПАН показали, как производить определенный фотокатализатор - нитрид углерода - со структурой, полной несовершенств, так называемых дефектов. Оказывается, он лучше работает в создании химических реакций, работающих на солнечной энергии, чем его бездефектный аналог.

Что, если бы вредные загрязняющие вещества в водоемах или промышленных отходах разлагались с помощью солнечного света? И, кроме того, в этом процессе создавались бы полезные химические соединения в различных отраслях промышленности, такие как водород или перекись водорода? Именно в этом направлении движутся исследования группы профессора Хуана Карлоса Кольменареса из Института физической химии Польской академии наук, — говорится в пресс-релизе его института.

Фотокатализаторы — это материалы, которые делают энергию света достаточной для некоторых желаемых химических реакций, происходящих в некоторой среде. Фотокатализаторы состоят из соединений, которые являются полупроводниками — обычно на основе металлов (например, оксидов или сульфидов), что является не очень желательной ситуацией, когда фотокатализатор перестает работать и становится отходами.

К счастью, среди соединений, проявляющих полупроводниковые свойства, есть и органические соединения, содержащие гетероатомы, характеризующиеся уникальной структурой. Одним из них является графитовый нитрид углерода, также известный как нитрид углерода (CN), который основан исключительно на углероде и азоте. Этот материал образует полимерную структуру.

Этот безметалловый полупроводник характеризуется высокой химической стабильностью и низкой энергией активации, что позволяет использовать его в процессах с использованием солнечной энергии.

Однако этот материал имеет недостатки - неэффективный перенос электронов и рекомбинация образующихся носителей заряда. Они существенно снижают эффективность реакций, ускоряемых светом. Для преодоления этих ограничений предпринимаются многочисленные действия по увеличению количества дефектов в структуре материала, а значит, и по увеличению активной поверхности во всем объеме материала и повышению эффективности фотокатализатора.

Недавно профессор Хуан Карлос Кольменарес из Института физической химии Польской академии наук и его команда ввели структурные дефекты в полимерный материал CN для повышения его фотокаталитической эффективности. Исследователи представили простой и эффективный подход, основанный на одновременной полимеризации двух мономеров (на основе двух триазинов) путем термической полимеризации.

Структурные дефекты создаются уже на этапе синтеза материала. Это упрощение по сравнению с традиционными методами, в которых дефекты вводятся только после синтеза, как правило, на дополнительном этапе, часто с использованием агрессивных химикатов и высокой температуры.

Как мы читаем в информации от ИХФ ПАН, синтезированный дефектный CN (d-CN) - по сравнению с CN без дефектов, характеризуется гораздо большей удельной поверхностью: 134 м2/г. Это означает, что площадь поверхности материала, спрессованного всего в один его грамм, больше площади поверхности классической площадки для бадминтона или комфортной квартиры на пять человек! Это связано с тем, что этот материал полон пор - его структура напоминает «губку». Благодаря этому реагенты имеют лучший доступ к поверхности катализатора в ходе реакции.

Дефектный d-CN превзошел все ранее описанные фотокатализаторы на основе CN в производстве перекиси водорода (H2O2) - важного окислителя. Эффективность, полученная с использованием d-CN, оказалась более чем в шесть раз выше, чем у лучших известных альтернатив, - сообщают представители ИХФ ПАН.

Важно, что материал работает гораздо эффективнее, чем «чистый» CN в мягких, сбалансированных условиях — без необходимости использования агрессивных окислителей и органических растворителей. Все, что вам нужно, — это вода и светодиодный источник света мощностью 0,45 Вт в видимом диапазоне при комнатной температуре.

Благодаря такому фотокатализатору можно производить топливо и ценные химикаты из загрязненной воды, одновременно очищая ее.

Например, бензиловый спирт, образующийся в качестве побочного продукта, загрязняющего окружающую среду, в том числе в целлюлозной промышленности, может быть использован для получения бензальдегида, который, в свою очередь, широко используется в фармацевтической и пищевой промышленности, а также в производстве отдушек и духов. Кроме того, возможно одновременное производство водорода (H2) и/или перекиси водорода (H2O2) - говорится в пресс-релизе.

Результаты исследования опубликованы в журнале Chemical Communications. (PAP)

лт/ зан/

Фонд PAP разрешает бесплатную перепечатку статей из Nauka w Polsce Service при условии, что вы будете информировать нас по электронной почте один раз в месяц об использовании сервиса и указывать источник статьи. На порталах и в интернет-сервисах, пожалуйста, укажите адрес ссылки: Источник: naukawpolsce.pl, а в журналах аннотацию: Источник: Nauka w Polsce Service - naukawpolsce.pl. Вышеуказанное разрешение не распространяется на: информацию из категории "Мир" и любые фото- и видеоматериалы.