De zon kan een betere scheikundige zijn, dankzij zinkoxide-nanostaafarrays die op een grafeensubstraat zijn gegroeid en "versierd" met stippen van cadmiumsulfide. In aanwezigheid van zonnestraling, deze combinatie van nul- en eendimensionale halfgeleiderstructuren met tweedimensionaal grafeen is een geweldige katalysator voor veel chemische reacties. Het innovatieve fotokatalytische materiaal is ontwikkeld door een groep wetenschappers van het Instituut voor Fysische Chemie van de Poolse Academie van Wetenschappen in Warschau en de Fuzhou Universiteit in China.

Het is een vreemd bos. Eenvoudig, gelijkmatig verdeelde stammen groeien uit een plat oppervlak, lange nanometers stijgend naar waar kronen van halfgeleiders gretig elke zonnestraal vangen. Dat is het beeld gezien door een microscoop van het nieuwe fotokatalytische materiaal, ontwikkeld door wetenschappers van het Instituut voor Fysische Chemie van de Poolse Academie van Wetenschappen (IPC PAS) in Warschau, Polen, en State Key Laboratory of Photocatalysis on Energy and Environment, College of Chemistry aan de Fuzhou University, China. Het nieuwe 3D-materiaal is zo ontworpen dat tijdens de verwerking van zonne-energie de beste samenwerking ontstaat tussen de puntjes cadmiumsulfide (zogenaamde nuldimensionale structuren), de nanostaafjes van zinkoxide (1D-structuren), en grafeen (2D-structuren).

De methoden voor het omzetten van lichtenergie die de aarde bereikt vanaf de zon kunnen in twee groepen worden verdeeld. In de fotovoltaïsche groep, fotonen worden gebruikt voor de directe opwekking van elektrische energie. De fotokatalytische benadering is anders:hier straling, zowel zichtbaar als ultraviolet, wordt gebruikt om chemische verbindingen te activeren en reacties uit te voeren die zonne-energie opslaan. Op deze manier is het mogelijk om b.v. CO2 reduceren tot methanol, brandstof synthetiseren of waardevolle organische tussenproducten produceren voor de chemische of farmaceutische industrie.

Het werkingsprincipe van de nieuwe, driedimensionale fotokatalysator, ontwikkeld door de groep van de IPC PAS en de Universiteit van Fuzhou, is simpel. Wanneer een foton met de juiste energie op de halfgeleider valt - zinkoxide ZnO of cadmiumsulfide CdS - vormt zich een elektron-gatpaar. Onder normale omstandigheden zou het bijna onmiddellijk opnieuw combineren en zou de zonne-energie verloren gaan. Echter, in het nieuwe materiaal stromen elektronen - die in beide halfgeleiders vrijkomen als gevolg van interactie met de fotonen - snel langs de nanostaafjes naar de grafeenbasis, wat een uitstekende dirigent is. Recombinatie kan niet plaatsvinden en de elektronen kunnen worden gebruikt om nieuwe chemische bindingen te creëren en zo nieuwe verbindingen te synthetiseren. De eigenlijke chemische reactie vindt plaats op het oppervlak van het grafeen, eerder bekleed met de te verwerken organische verbindingen.

Zinkoxide reageert alleen met ultraviolette straling, waarvan er maar een klein percentage in zonlicht zit. Daarom, onderzoekers van de IPC PAS en Fuzhou University hebben ook de nanostaafjesbossen bedekt met cadmiumsulfide. Deze reageert voornamelijk met zichtbaar licht, waarvan er ca. 10 keer meer dan het ultraviolet - en dit is de belangrijkste leverancier van elektronen voor de chemische reacties.

"Ons fotokatalytisch materiaal werkt met een hoog rendement. We voegen het meestal toe aan de verbindingen die worden verwerkt in een verhouding van ongeveer 1:10. Na blootstelling aan zonnestraling binnen niet meer dan een half uur verwerken we 80% en soms zelfs meer dan 90 % van de ondergronden, " benadrukt prof. Yi-Jun Xu (FRSC) van Fuzhou University, waar het merendeel van de experimenten is uitgevoerd door het door hem geleide onderzoeksteam.

"Het grote voordeel van onze fotokatalysator is het gemak van de productie, " op zijn beurt merkt prof. Juan Carlos Colmenares van de IPC PAS op. "Grafeen dat geschikt is voor toepassingen in de fotochemie is nu zonder grotere problemen verkrijgbaar en is niet duur. Beurtelings, het door ons uitgevonden proces om grafeen te coaten met aanplantingen van nanostaafjes van zinkoxide, waarop we vervolgens cadmiumsulfide storten, is snel, efficiënt, vindt plaats bij een temperatuur die net iets hoger is dan kamertemperatuur, bij normale druk, en vereist geen geavanceerde substraten."

Voor toepassing op bredere schaal is het belangrijk dat de nieuwe fotokatalysator langzaam wordt verbruikt. De tot nu toe uitgevoerde experimenten tonen aan dat pas na het zesde tot zevende gebruik een geringe afname van ongeveer 10% van de opbrengst van de reactie optreedt.

vakkundig gebruikt, de nieuwe 3D-fotokatalysator kan het verloop van chemische reacties aanzienlijk veranderen. Het gebruik ervan, bijv. in de farmaceutische industrie, het aantal productiestadia van bepaalde farmacologische verbindingen zou kunnen verminderen van een tiental tot slechts enkele.