Solen kan vara en bättre kemist, tack vare zinkoxid nanorod-arrayer odlade på ett grafensubstrat och "dekorerade" med prickar av kadmiumsulfid. I närvaro av solstrålning, denna kombination av noll- och endimensionella halvledarstrukturer med tvådimensionell grafen är en stor katalysator för många kemiska reaktioner. Det innovativa fotokatalytiska materialet har utvecklats av en grupp forskare från Institutet för fysikalisk kemi vid den polska vetenskapsakademin i Warszawa och Fuzhou University i Kina.

Det är en konstig skog. Enkel, jämnt fördelade stammar växer från en plan yta, stiger långa nanometer uppåt till där kronor av halvledare girigt fångar varje solstråle. Det är vyn sett genom ett mikroskop av det nya fotokatalytiska materialet, utvecklad av forskare från Institutet för fysikalisk kemi vid den polska vetenskapsakademin (IPC PAS) i Warszawa, Polen, och State Key Laboratory of Photocatalysis on Energy and Environment, College of Chemistry vid Fuzhou University, Kina. Det nya 3D-materialet har utformats så att under bearbetningen av solenergi det bästa samarbetet uppnås mellan prickarna av kadmiumsulfid (så kallade nolldimensionella strukturer), nanoroderna av zinkoxid (1D-strukturer), och grafen (2D-strukturer).

Metoderna för att omvandla ljusenergi som når jorden från solen kan delas in i två grupper. I solcellsgruppen, fotoner används för direkt generering av elektrisk energi. Det fotokatalytiska tillvägagångssättet är annorlunda:här strålning, både synliga och ultravioletta, används för att aktivera kemiska föreningar och utföra reaktioner som lagrar solenergi. På detta sätt är det möjligt att t.ex. reducera CO2 till metanol, syntetisera bränsle eller producera värdefulla organiska intermediärer för den kemiska eller läkemedelsindustrin.

Funktionsprincipen för den nya, tredimensionell fotokatalysator, utvecklad av gruppen från IPC PAS och University of Fuzhou, det är enkelt. När en foton med lämplig energi faller på halvledaren - zinkoxid ZnO eller kadmiumsulfid CdS - bildas ett elektron-hålpar. Under normala omständigheter skulle den nästan omedelbart rekombinera och solenergin skulle gå förlorad. Dock, i det nya materialet strömmar elektroner - som frigörs i båda halvledarna som ett resultat av interaktion med fotonerna - snabbt ner längs nanoroderna till grafenbasen, vilket är en utmärkt dirigent. Rekombination kan inte ske och elektronerna kan användas för att skapa nya kemiska bindningar och därmed för att syntetisera nya föreningar. Den faktiska kemiska reaktionen äger rum på grafenens yta, tidigare belagda med de organiska föreningar som ska bearbetas.

Zinkoxid reagerar bara med ultraviolett strålning, av vilka det bara finns en liten andel i solljus. Därför, forskare från IPC PAS och Fuzhou University har också täckt nanorodskogarna med kadmiumsulfid. Detta reagerar främst med synligt ljus, varav det finns ca. 10 gånger mer än den ultravioletta - och detta är huvudleverantören av elektroner för de kemiska reaktionerna.

"Vårt fotokatalytiska material arbetar med ett högt utbyte. Vi tillsätter det vanligtvis till de föreningar som bearbetas i ett förhållande av cirka 1:10. Efter exponering för solstrålning inom högst en halvtimme bearbetar vi 80 % och ibland till och med mer än 90 % av substraten, " betonar prof. Yi-Jun Xu (FRSC) vid Fuzhou University, där majoriteten av experimenten har utförts av forskargruppen som leds av honom.

"Den stora fördelen med vår fotokatalysator är den lätta produktionen, ", konstaterar i sin tur prof. Juan Carlos Colmenares från IPC PAS. "Grafen som lämpar sig för tillämpningar inom fotokemi är nu tillgängligt utan större problem och är inte dyrt. I tur och ordning, processen som uppfunnits av oss för att belägga grafen med plantager av zinkoxidnanorods, på vilken vi sedan deponerar kadmiumsulfid, är snabb, effektiv, sker vid en temperatur bara något högre än rumstemperatur, vid normalt tryck, och kräver inga sofistikerade substrat."

För tillämpning i bredare skala är det viktigt att den nya fotokatalysatorn konsumeras långsamt. De hittills genomförda experimenten visar att endast efter den sjätte-sjunde användningen inträffar en liten minskning med cirka 10 % i reaktionsutbytet.

Skickligt använd, den nya 3D-fotokatalysatorn kan avsevärt förändra förloppet av kemiska reaktioner. dess användning, t.ex. inom läkemedelsindustrin, skulle kunna minska antalet steg i produktionen av vissa farmakologiska föreningar från ett dussin till bara ett fåtal.