Catalizator activat de lumină pentru producția sustenabilă de peroxid de hidrogen
Peroxidul de hidrogen (H₂O₂) este un reactant chimic versatil, iar producția sa industrială se bazează în principal pe un proces consumator de energie, cu o amprentă de carbon semnificativă. O alternativă promițătoare este obținerea sa cu ajutorul unui catalizator activat de lumină. Într-un proiect internațional de cercetare la care a participat Institutul Max Planck pentru Coloizi și Interfețe, cercetătorii au dezvoltat o strategie de sinteză care permite controlul precis al aranjamentului spațial al ionilor într-un nitrură de carbon. Fotocatalizatorul rezultat este de trei ori mai eficient decât metodele convenționale de producție verde. Rezultatele au fost publicate în revista Advanced Materials.
Peroxidul de hidrogen este un agent oxidant prietenos cu mediul: la descompunere produce doar apă și oxigen, motiv pentru care este numit și „chemical verde”. Cererea este în creștere, mai ales pentru tratarea ecologică a apelor uzate și pentru dezinfecția casnică și medicală, iar volumele de producție continuă să crească. În prezent, peroxidul de hidrogen este obținut predominant prin procesul antrachinonic, care implică costuri energetice ridicate și o amprentă de carbon substanțială.
Fotocataliza reprezintă o alternativă promițătoare. În acest proces, un material absoarbe lumina și folosește energia pentru a declanșa o reacție chimică fără energie fosilă. Eficiența reacției depinde, printre altele, de cât de ușor se pot deplasa sarcinile generate de lumină prin material și de cât timp rămân disponibile pentru a susține reacția. Grupul de cercetare a investigat modul în care aceste proprietăți pot fi influențate încă din etapa de asamblare chimică a fotocatalizatorului.
„În loc să modificăm compoziția chimică a unui fotocatalizator pentru a-l face mai eficient, am încercat să schimbăm modul în care sunt aranjați constituenții”, explică dr. Christian M. Pelicano, autorul corespondent care conduce grupul de cercetare SunThesis la institutul din Potsdam și care studiază acest subiect din 2023. Pentru aceasta, cercetătorii au folosit cocristale ionice organice–anorganice, care permit anticiparea precisă a distribuției ionilor în timpul conversiei termice a cristalelor în materialul final.
Prin această abordare, echipa a dezvoltat un material numit „CALiK” – un nitrură de carbon cristalin din clasa imidelor de poliheptazină (PHI), care conține ioni de litiu și potasiu într-un mediu controlat spațial. „Aceste cristale erau deja cunoscute, dar noi am fost primii care le-am folosit ca precursori pentru nitrurile de carbon. Ne-a interesat faptul că ele conțin aceleași componente chimice ca precursorii folosiți în mod obișnuit. Diferența esențială este că ionii sunt deja aranjați într-un anumit mod, iar noi ne-am întrebat dacă acest aranjament poate fi transferat materialului”, spune Pelicano.
În metodele convenționale de producție, ionii sunt de obicei introduși în material într-o manieră dezordonată, folosind o sare topită, ceea ce oferă un control limitat asupra distribuției lor spațiale. Experimente comparative cu materiale obținute prin alte metode au ajutat echipa să înțeleagă influența strategiei de sinteză, independent de compoziția chimică.
În condițiile testate, CALiK a produs de aproximativ trei ori mai mult peroxid de hidrogen decât materialul de comparație preparat convențional, KPHI, și cu circa 40% mai mult decât cel mai performant material testat care conținea un singur tip de cation, CALi. Iradiat cu lumină la o lungime de undă de 410 nanometri, CALiK a atins un randament cuantic aparent de 58%, cel mai ridicat dintre catalizatorii comparați. Această măsură descrie cât de eficient sunt convertiți fotonii în electroni care intră în reacția chimică.
„Aranjamentul spațial al ionilor în materialul optimizat face o diferență considerabilă”, spune prima autoare Anna Lo Presti, chimistă care își pregătește doctoratul pe această temă. „Am putut demonstra pentru prima dată că nu contează doar tipul sau cantitatea de ioni, ci și poziția lor în rețea.”
Pentru a investiga cauza performanței îmbunătățite, cercetătorii au combinat analize structurale cu măsurători spectroscopice și electrochimice. Au constatat că sarcinile generate de lumină se separă mai eficient în CALiK și rămân astfel disponibile mai mult timp pentru reacția cu oxigenul. Calcule suplimentare sugerează că distribuția spațială a ionilor de litiu modifică mediul electronic din material, facilitând activarea oxigenului. Totuși, calculele se bazează pe structuri-model simplificate și nu surprind încă pe deplin procesele din materialul real. Studiul oferă totuși o abordare pentru optimizarea fotocatalizatorilor polimerici încă din etapa de sinteză.
