Группа учёных нашла способ замедлить утечки энергии, которые препятствовали использованию крошечных нанокристаллов в светоуправляемых химических и энергетических приложениях.
В статье, опубликованной в журнале Chem, описывается, как команда использовала молекулу, которая прочно связывается с поверхностью нанокристалла, действуя подобно плотине, удерживающей энергию, запасённую в состоянии разделения зарядов, образующемся после поглощения света. Этот метод увеличивает время жизни разделения зарядов до рекордно долгого для этих материалов, открывая путь к повышению эффективности и расширению возможностей использования этой энергии в химических реакциях.
Исследователи из Университета Колорадо в Боулдере, Калифорнийского университета в Ирвайне и Форт-Льюис-колледжа работали под руководством научного сотрудника RASEI Горданы Дукович.
Проблема и её решение
Многие продукты, которыми мы пользуемся сегодня, от пластмасс до удобрений и фармацевтических препаратов, создаются путём промышленных химических реакций, которые часто требуют огромного тепла и давления, обычно генерируемых при сжигании ископаемого топлива.
В течение десятилетий ведутся исследования менее жёсткой и теоретически более эффективной альтернативы: фотокатализа. Цель — использовать соединение, «фотокатализатор», которое может использовать энергию света и использовать её для управления химическими реакциями при комнатной температуре.
Полупроводниковые нанокристаллы, частицы, которые более чем в тысячу раз меньше ширины человеческого волоса, являются ведущим кандидатом для этой работы. Когда они подвергаются воздействию света, эти нанокристаллы генерируют кратковременную искру энергии в виде отдельного отрицательного заряда (электрона) и положительного заряда (называемого «дыркой» из-за отсутствия электрона).
Ключевой проблемой в этой области является то, что эта искра быстро исчезает, потому что электрон и дырка рекомбинируют, и энергия теряется до того, как её можно будет использовать.
Чтобы решить эту проблему, команда сосредоточилась на создании того, что мы могли бы назвать молекулярной плотиной, которая помогает предотвратить — или, по крайней мере, замедлить — рекомбинацию электрона и дырки.
Исследование началось с нанокристаллов сульфида кадмия (CdS) и разработало молекулу (в данном случае производное фенотиазина) с двумя ключевыми особенностями:
1. Включение химической группы, которая действует как липкий якорь (в данном случае карбоксилатная группа), которая прочно связывается с поверхностью нанокристалла.
2. Молекулярная структура, которая быстро принимает положительный заряд (дырку) от нанокристалла, чтобы реализовать событие разделения зарядов под действием света.
Закрепив эту молекулу на поверхности нанокристалла, команда создала высокоэффективный и стабильный путь. Как только воздействие света создаёт пару электрон-дырка в нанокристалле, закреплённая молекула перемещает дырку, физически отделяя её от электрона. Это физическое разделение электрона и дырки предотвращает их быстрое соединение обратно и потерю энергии.
В результате получается разделённое состояние заряда, которое длится микросекунды, что является вечностью в мире фотохимии, создавая гораздо более широкое окно времени для будущих исследователей, чтобы поработать с этой захваченной энергией, управляемой светом, для полезных химических реакций.
Команда смогла доказать значимость липкого якоря карбоксилата, сравнив свой производный продукт с фенотиазином, у которого отсутствовал якорь, и который оказался гораздо менее эффективным в удержании энергии, продемонстрировав, что это прикрепление к поверхности было ключом к производительности этой системы.
Сотрудничество и результаты
Группа Кенни Миллера из Форт-Льюис-колледжа синтезировала карбоксилированное производное фенотиазина (и множество других). Затем Миллер отправил производное группе неорганических электрохимиков Дженни Янг в Калифорнийском университете в Ирвайне для углублённой электрохимической характеристики. Группа Горданы Дукович в CU Boulder синтезировала нанокристаллы, проверила их совместимость с производным, охарактеризовала связывание и провела расширенное исследование лазерной спектроскопии, чтобы увидеть, как ведут себя электроны и дырки.
«Первый раз, когда я увидела результаты — увидела, насколько эффективна наша „молекулярная плотина“ в замедлении рекомбинации зарядов, — я поняла, что мы нашли золото», — объяснила доктор София Клик, ведущий автор исследования. «Замедлить рекомбинацию зарядов с наносекунд до микросекунд с помощью молекулы, которая может быть объединена с таким количеством существующих систем фотокатализаторов, делает эту работу жизненно важной для того, чтобы поделиться ею с максимально возможным количеством исследователей».
Разработка этой молекулярной плотины может иметь значение для будущего проектирования катализаторов для светоуправляемой химии. Повышая эффективность начального этапа захвата энергии, эта система повышает эффективность всего процесса. Это может улучшить не только одну конкретную реакцию, но и широкий спектр светоуправляемых химических реакций.
Ключевой технологией, которую можно усовершенствовать, является разработка светоуправляемого создания химических товаров или ценных химических веществ. Это исследование предоставляет более надёжный и универсальный химический инструментарий для изучения этих возможностей.
Представьте себе будущее, в котором материалы, такие как пластмассы и даже фармацевтические препараты, производятся не в энергонеэффективных высокотемпературных реакторах, работающих на ископаемом топливе, а синтезируются напрямую и эффективно с использованием силы света.
Хотя это видение всё ещё на горизонте, работа, проделанная в рамках этой коллаборации, является важной частью научного пазла, составляя огромный шаг на пути к достижению этих целей.