Fotocataliza oferă o modalitate promiţătoare de a transforma cantitatea vastă de lumină solară în energie chimică utilă, potrivit Science Daily.

Printre materialele care atrag o atenţie din ce în ce mai mare se numără imidele de poliheptazină, care au caracteristici structurale şi funcţionale ce le fac deosebit de eficiente pentru reacţiile fotocatalitice.

Până de curând, oamenii de ştiinţă aveau doar o înţelegere limitată a modului în care schimbările din structura lor influenţează comportamentul electronic şi optic al multor materiale posibile din această familie.

Cercetătorii au introdus acum o abordare teoretică fiabilă şi reproductibilă pentru a aborda această problemă. Previziunile lor au fost validate prin măsurători efectuate pe probe reale de material.

Echipa consideră că acest progres ar putea accelera semnificativ cercetarea privind imidele de poliheptazină şi ar putea stimula o creştere rapidă în acest domeniu.

Imidele de poliheptazină aparţin clasei mai largi a nitrurilor de carbon. Aceste materiale constau din structuri stratificate care seamănă cu grafenul, dar sunt construite din unităţi moleculare în formă de inel, bogate în azot.

Deşi grafenul este cunoscut pentru conductivitatea electrică excepţională, acesta nu funcţionează bine ca fotocatalizator.

Imidele de poliheptazină diferă într-un mod crucial. Bandele lor de interdicţie electronică le permit să absoarbă lumina vizibilă, ceea ce le face potrivite pentru reacţii chimice determinate de lumina solară.

Materialele din nitrură de carbon oferă, de asemenea, mai multe avantaje practice. Sunt relativ ieftine de produs, netoxice şi stabile termic. Cu toate acestea, versiunile timpurii ale acestor materiale nu au funcţionat bine ca fotocatalizatori, deoarece proprietăţile lor interne limitau separarea eficientă a sarcinilor.

Când un foton loveşte un material, acesta poate excita un electron şi îl poate îndepărta de la poziţia sa iniţială, lăsând în urmă o gaură încărcată pozitiv. Dacă electronul se recombină rapid cu gaura, energia este eliberată doar sub formă de căldură sau lumină, în loc să genereze reacţii chimice.

Sunt necesare materiale îmbunătăţite pentru a valorifica potenţialul economic al mai multor procese fotocatalitice.

Acestea includ scindarea apei (pentru a produce hidrogen ca combustibil), reducerea dioxidului de carbon (pentru a produce carbohidraţi de bază ca combustibili sau substanţe chimice industriale) şi producţia de peroxid de hidrogen (ca substanţă chimică industrială de bază).

Proiectarea unui catalizator de imidă de poliheptazină care să funcţioneze bine pentru o reacţie specifică necesită un control atent asupra multor aspecte ale structurii sale. Crearea şi testarea fiecărui material candidat posibil în laborator ar fi nerealistă. Prin urmare, metodele computationale joacă un rol esenţial în restrângerea posibilităţilor.

Folosind abordarea lor computaţională, cercetătorii au explorat modul în care diferiţi ioni metalici modifică structura reţelei de poliheptazină imidă. Analiza lor a relevat că introducerea ionilor poate provoca schimbări structurale măsurabile, inclusiv modificări ale distanţei dintre straturi şi modificări ale mediilor locale de legătură.

Aceste variaţii structurale influenţează direct structura benzii electronice şi proprietăţile optice ale materialelor, afectând eficienţa cu care acestea captează lumina.

Pentru a-şi testa predicţiile, echipa a sintetizat opt materiale de poliheptazină imidă, fiecare incorporând un ion metalic diferit. Materialele au fost apoi evaluate în ceea ce priveşte capacitatea lor de a cataliza producţia de peroxid de hidrogen.