El sol puede ser un mejor químico gracias a las matrices de nanobarras de óxido de zinc cultivadas sobre un sustrato de grafeno y "decoradas" con puntos de sulfuro de cadmio. En presencia de radiación solar, esta combinación de estructuras semiconductoras cero y unidimensionales con grafeno bidimensional es un gran catalizador para muchas reacciones químicas. El innovador material fotocatalítico ha sido desarrollado por un grupo de científicos del Instituto de Química Física de la Academia de Ciencias de Polonia en Varsovia y la Universidad de Fuzhou en China.

Es un bosque extraño. Sencillo, troncos uniformemente distribuidos crecen a partir de una superficie plana, subiendo nanómetros largos hacia arriba hasta donde coronas de semiconductores capturan con avidez cada rayo de sol. Esa es la vista vista a través de un microscopio del nuevo material fotocatalítico, desarrollado por científicos del Instituto de Química Física de la Academia de Ciencias de Polonia (IPC PAS) en Varsovia, Polonia, y Laboratorio Estatal Clave de Fotocatálisis sobre Energía y Medio Ambiente, Facultad de Química de la Universidad de Fuzhou, Porcelana. El novedoso material 3D ha sido diseñado para que durante el procesamiento de la energía solar se logre la mejor colaboración entre los puntos de sulfuro de cadmio (las llamadas estructuras de dimensión cero), las nanovarillas de óxido de zinc (estructuras 1D), y grafeno (estructuras 2D).

Los métodos para convertir la energía luminosa que llega a la Tierra desde el Sol se pueden dividir en dos grupos. En el grupo fotovoltaico, los fotones se utilizan para la generación directa de energía eléctrica. El enfoque fotocatalítico es diferente:aquí radiación, tanto visible como ultravioleta, se utiliza para activar compuestos químicos y realizar reacciones que almacenan energía solar. De esta manera es posible p. Ej. reducir el CO2 a metanol, sintetizar combustibles o producir intermedios orgánicos valiosos para la industria química o farmacéutica.

El principio de funcionamiento del nuevo, fotocatalizador tridimensional, desarrollado por el grupo del IPC PAS y la Universidad de Fuzhou, es simple. Cuando un fotón con la energía adecuada cae sobre el semiconductor, óxido de zinc ZnO o sulfuro de cadmio CdS, se forma un par de electrones y huecos. En circunstancias normales, se recombinaría casi de inmediato y se perdería la energía solar. Sin embargo, en el nuevo material, los electrones, liberados en ambos semiconductores como resultado de la interacción con los fotones, fluyen rápidamente a lo largo de las nanovarillas hasta la base de grafeno. que es un excelente conductor. La recombinación no puede ocurrir y los electrones pueden usarse para crear nuevos enlaces químicos y así sintetizar nuevos compuestos. La reacción química real tiene lugar en la superficie del grafeno, previamente recubiertos con los compuestos orgánicos que se van a procesar.

El óxido de zinc solo reacciona con la radiación ultravioleta, de los cuales hay solo un pequeño porcentaje en la luz del sol. Por lo tanto, investigadores del IPC PAS y de la Universidad de Fuzhou también han cubierto los bosques de nanobarras con sulfuro de cadmio. Esto reacciona principalmente con la luz visible, de los cuales hay aprox. 10 veces más que el ultravioleta, y este es el principal proveedor de electrones para las reacciones químicas.

"Nuestro material fotocatalítico funciona con un alto rendimiento. Por lo general, lo agregamos a los compuestos que se procesan en una proporción de aproximadamente 1:10. Después de la exposición a la radiación solar en no más de media hora, procesamos el 80% y, a veces, incluso más del 90%. % de los sustratos, "destaca el profesor Yi-Jun Xu (FRSC) de la Universidad de Fuzhou, donde la mayoría de los experimentos han sido realizados por el equipo de investigación liderado por él.

"La gran ventaja de nuestro fotocatalizador es la facilidad de su producción, A su vez apunta el Prof. Juan Carlos Colmenares del IPC PAS. “El grafeno apto para aplicaciones en fotoquímica ya está disponible sin mayores problemas y no es caro. Sucesivamente, el proceso inventado por nosotros de recubrir grafeno con plantaciones de nanobarras de óxido de zinc, sobre el que posteriormente depositamos sulfuro de cadmio, es rápido, eficiente, tiene lugar a una temperatura ligeramente superior a la temperatura ambiente, a presión normal, y no requiere sustratos sofisticados ".

Para una aplicación a mayor escala, es importante que el nuevo fotocatalizador se consuma lentamente. Los experimentos llevados a cabo hasta la fecha muestran que sólo después del sexto-séptimo uso se produce una ligera disminución de aproximadamente un 10% en el rendimiento de la reacción.

Hábilmente utilizado, el nuevo fotocatalizador 3D puede alterar significativamente el curso de las reacciones químicas. Su uso, p.ej. en la industria farmacéutica, podría reducir el número de etapas de producción de ciertos compuestos farmacológicos de una docena a solo unos pocos.