Фотокатализ — это процесс, при котором свет инициирует химические реакции, и управление им является одной из самых привлекательных задач современной науки.
Если удастся эффективно и экономично преобразовать солнечный свет в химическую энергию, это позволит извлекать водород из воды, перерабатывать углекислый газ в полезные вещества и производить промышленные химикаты, такие как перекись водорода — и все это на энергии Солнца. Важную роль в этом могут сыграть материалы из семейства полигептазиниминов, и новая работа экспертов Центра передовых системных исследований (CASUS) при Институте Гельмгольца в Дрезден-Россендорфе значительно приближает эту цель.
Полигептазинимины относятся к классу нитридов углерода — слоистых материалов, похожих на графен, но построенных из богатых азотом кольцевых молекулярных блоков. В отличие от графена, который великолепно проводит электричество, но плохо подходит для фотокатализа, полигептазинимины способны поглощать видимый свет — именно в этом диапазоне Солнце излучает наибольшее количество энергии. Кроме того, они недорогие, нетоксичные и термически устойчивые.
Тем не менее, ранние версии этих материалов работали не слишком эффективно: энергия поглощенного света быстро терялась, так как возбужденные электроны слишком рано соединялись с положительно заряженными «дырками», не успевая инициировать химическую реакцию. Решение было найдено с использованием ионов металлов: встраивание их в структуру материала позволяет значительно улучшить разделение зарядов.
Сложность заключается в том, что вариантов модификации — огромное количество. Можно изменять ионы металлов, добавлять функциональные группы, заменять атомы углерода или азота на кислород или фосфор. Перебирать все возможные комбинации в лаборатории просто нереально. Поэтому команда под руководством профессора Томаса Кюне разработала вычислительный метод, который позволяет надежно предсказывать свойства материалов до их лабораторного синтеза.
Соавтор исследования доктор Захра Хаджиахмади систематически исследовала влияние 53 различных ионов металлов на оптические и электронные характеристики полигептазиниминов. «Мы использовали методы теории многочастичных возмущений, которые выходят за рамки стандартных подходов и учитывают поведение материала при реальном освещении, а не только в основном состоянии», — поясняет она.
Предсказания были подтверждены экспериментально: ученые синтезировали восемь материалов с различными ионами металлов и протестировали их в реакции получения перекиси водорода. Совпадение оказалось высоким — расчеты превзошли конкурирующие вычислительные методы.
«Путь к целенаправленному созданию эффективных фотокатализаторов для устойчивых реакций теперь стал более ясным и простым, — заключает Кюне. — Я уверен, что он поможет нам добиться успеха в нашей задаче».
Фото: hi-tech.mail.ru