Een RUDN-chemicus heeft nieuwe fotokatalysatoren ontwikkeld die bestaan ​​uit nanostructuren van titaniumdioxide. Holle nanokubussen met ultradunne wanden werken als nanoreactoren en zorgen bij kamertemperatuur onder invloed van zichtbaar licht voor 28 keer effectievere organische reacties. De resultaten zijn gepubliceerd in Toegepaste Katalyse B:Milieu .

Traditionele methoden voor het vervaardigen van geneesmiddelen, meststoffen, pesticiden, voedselsupplementen, en andere nuttige producten uit organische stoffen vereisen hoge druk- en temperatuurniveaus. Fotokatalyse is een zeer efficiënt proces voor chemische productie. Fotokatalysatoren versnellen organische reacties onder invloed van licht in omgevingscondities zonder temperatuur of druk te verhogen.

Titaandioxide wordt beschouwd als een potentiële katalysator. Echter, zijn katalytische activiteit wordt alleen geactiveerd in UV-licht, die slechts 5 procent van het zonlicht omvat. Wanneer gevormd als holle nanostructuren, titaandioxide wordt actiever als katalysator. Rafael Luque, de directeur van het Centre for Molecular Design and Synthesis of Innovative Compounds for Medicine en collega's uit Iran beschrijven een nieuw type structuur met hoge fotokatalytische activiteit:zwarte holle nanokubussen gemaakt van titaniumdioxide (BHC-TiO ₂ ).

De ontwikkeling van de nieuwe nanostructuren nam bijna twee jaar in beslag. De procedure bestaat uit vier stappen. Eerst, de chemici maken nanokubussen van hematiet en bedekken ze met titaniumdioxide. Vervolgens, de binnenkant van de kubussen wordt uitgewassen met een oplossing van zoutzuur, waardoor alleen de dunne titaandioxide-omhulling overblijft. Dit wordt verwarmd tot 550 °C in een waterstof-argonatmosfeer. Daarna, de monsters veranderen in zwarte holle nanokubussen. Het hele proces duurt twee tot drie dagen.

"De belangrijkste voordelen van onze constructies zijn dat ze gemakkelijk te maken zijn, duurzaam, en kan voor verschillende doeleinden worden gebruikt. BHC-TiO ₂ kan worden gebruikt als fotokatalysator voor waterzuivering om de afbraak van verontreinigende stoffen te versnellen, evenals voor de omzetting van biomassa. Momenteel, we bestuderen de toepassing van fotokatalysatoren bij de productie van organische stoffen, "zei Luuk.

In een experiment met benzimidazoolsynthese, de onderzoekers controleerden de katalytische activiteit van verschillende soorten nanokubussen - vaste gemaakt van titaniumdioxide, holle, en gebakken zwarte holle BHC-TiO ₂ degenen. Sommige monsters werden blootgesteld aan zichtbaar licht van een gewone halogeenlamp, en sommige - aan UV-straling. Er is veel vraag naar de derivaten van deze stof in de farmaceutische industrie

BHC-TiO ₂ deeltjes vertoonden een hoge katalytische activiteit bij beide soorten blootstelling. Zesentachtig procent van de oorspronkelijke stof werd verwerkt onder invloed van zichtbaar licht, dat is 28 keer meer dan in het experiment met eendelige (niet-holle) titaniumdioxidekubussen. De chemici geloven dat deze activiteit te wijten is aan de structurele holheid, groot oppervlak, en poreuze ultradunne wanden. Al deze eigenschappen zorgen ervoor dat nanokubussen werken als nanoreactoren, d.w.z. licht reflecteren en verstrooien en gemakkelijk organische stoffen absorberen, het creëren van een medium voor effectieve reacties in de kubussen. Ti ₃₊ ionen die tijdens het bakken op het oppervlak van nanokubussen worden gevormd, spelen ook een belangrijke rol. Wetenschappers van RUDN geloven dat ze elektronenoverdracht vergemakkelijken, waardoor de hele structuur zichtbaar licht absorbeert (en niet alleen het UV-licht zoals puur titaniumdioxide).

Uit de experimenten bleek een hoge duurzaamheid van de nanoreactoren - zelfs na het zesde gebruik, de structuren behouden hun vorm en bijna alle Ti ₃₊ ionen op hun oppervlak. Daarom, BHC-TiO ₂ kunnen worden gebruikt om ten minste 7 organische reacties uit te voeren zonder verlies van hun katalytische activiteit.