BHC-TiO2 nanoarkitekturer uppvisade enastående fotokatalytisk prestanda under synligt ljus vid framställning av bensimidazolderivat. Kredit:Allen Dressen
En RUDN-kemist har utvecklat nya fotokatalysatorer som består av nanostrukturer från titandioxid. Ihåliga nanokuber med ultratunna väggar fungerar som nanoreaktorer och ger 28 gånger effektivare organiska reaktioner vid rumstemperatur under påverkan av synligt ljus. Resultaten publiceras i Tillämpad katalys B:Miljömässig .
Traditionella metoder för tillverkning av läkemedel, gödselmedel, bekämpningsmedel, livsmedelstillsatser, och andra användbara produkter från organiska ämnen kräver höga tryck- och temperaturnivåer. Fotokatalys är en mycket effektiv process för kemisk produktion. Fotokatalysatorer påskyndar organiska reaktioner under påverkan av ljus i omgivningsförhållanden utan att öka temperatur eller tryck.
Titandioxid anses vara en potentiell katalysator. Dock, dess katalytiska aktivitet aktiveras endast i UV-ljus, som bara utgör 5 procent av solljuset. När de är formade som ihåliga nanostrukturer, titandioxid blir mer aktiv som katalysator. Rafael Luque, chefen för Center for Molecular Design and Synthesis of Innovative Compounds for Medicine och kollegor från Iran beskriver en ny typ av struktur med hög fotokatalytisk aktivitet:svarta ihåliga nanokuber gjorda av titandioxid (BHC-TiO) 2 ).
Utvecklingen av de nya nanostrukturerna tog nästan två år. Proceduren består av fyra steg. Först, kemisterna förbereder nanokuber av hematit och täcker dem med titandioxid. Sedan, insidan av kuberna tvättas ut med en lösning av saltsyra, lämnar bara det tunna titandioxidskalet kvar. Denna upphettas till 550°C i en väte-argon-atmosfär. Efter det, proverna förvandlas till svarta ihåliga nanokuber. Hela processen tar två till tre dagar.
"De främsta fördelarna med våra strukturer är att de är lätta att skapa, hållbar, och kan användas för olika ändamål. BHC-TiO 2 kan användas som fotokatalysator för vattenrening för att påskynda nedbrytningen av föroreningar, samt för omvandling av biomassa. För närvarande, vi studerar användningen av fotokatalysatorer vid produktion av organiska ämnen, sa Luque.
I ett experiment som involverade bensimidazolsyntes, forskarna kontrollerade den katalytiska aktiviteten hos flera typer av nanokuber – fasta sådana gjorda av titandioxid, ihåliga sådana, och bakade svart ihåliga BHC-TiO 2 ettor. Vissa prover exponerades för synligt ljus från en vanlig halogenlampa, och några — till UV-strålning. Derivaten av detta ämne är mycket efterfrågade inom läkemedelsindustrin
BHC-TiO 2 partiklar visade hög katalytisk aktivitet under båda typerna av exponering. Åttiosex procent av den ursprungliga substansen bearbetades under påverkan av synligt ljus, vilket är 28 gånger mer än i experimentet med ett stycke (icke ihåliga) titandioxidkuber. Kemisterna tror att denna aktivitet beror på den strukturella ihåligheten, stor yta, och porösa ultratunna väggar. Alla dessa egenskaper gör att nanokuber fungerar som nanoreaktorer, reflekterar och sprider ljus och absorberar lätt organiska ämnen, skapa ett medium för effektiva reaktioner inuti kuberna. Ti 3+ joner som bildas på ytan av nanokuber under gräddningen spelar också en viktig roll. RUDN-forskare tror att de underlättar elektronöverföring vilket gör att hela strukturen absorberar synligt ljus (och inte bara UV-ljuset som ren titandioxid).
Experimenten visade en hög hållbarhet hos nanoreaktorerna - även efter den sjätte användningen, strukturerna behöll sin form och nästan all Ti 3+ joner på sin yta. Därför, BHC-TiO 2 kan användas för att utföra minst 7 organiska reaktioner utan någon förlust av deras katalytiska aktivitet.
