Το υπεροξείδιο του υδρογόνου αποτελεί μια ευέλικτη χημική πρώτη ύλη, της οποίας η βιομηχανική παραγωγή βασίζεται παραδοσιακά σε μια διαδικασία έντασης ενέργειας με σημαντικό περιβαλλοντικό αποτύπωμα.
Εναλλακτικά, η παραγωγή του μπορεί να επιτευχθεί με τη χρήση καταλύτη που ενεργοποιείται από το φως. Διεθνές ερευνητικό έργο με τη συμμετοχή του Ινστιτούτου Μαξ Πλανκ Αντεστηγμένων Επιφανειών ανέπτυξε μια στρατηγική σύνθεσης που επιτρέπει τον ακριβή έλεγχο της χωρικής διάταξης των ιόντων σε ένα νιτρίδιο του άνθρακα.
Ο φωτοκαταλύτης που προέκυψε είναι τρεις φορές πιο αποδοτικός από τις συμβατικές πράσινες μεθόδους παραγωγής. Τα ευρήματα δημοσιεύθηκαν στο περιοδικό Advanced Materials.
Η σημασία της χωρικής διάταξης των ιόντων
Για την κάλυψη της αυξανόμενης ζήτησης, το υπεροξείδιο του υδρογόνου εξακολουθεί να παράγεται κυρίως μέσω της διαδικασίας ανθρακινόνης, η οποία συνεπάγεται υψηλό ενεργειακό κόστος. Η φωτοκατάλυση προσφέρει μια υποσχόμενη εναλλακτική, όπου το υλικό απορροφά το φως και χρησιμοποιεί την ενέργειά του για να κατευθύνει τη χημική αντίδραση.
Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν οργανικά-ανόργανα ιοντικά συνκρύσταλλα για να αναπτύξουν ένα υλικό με την ονομασία CALiK, το οποίο περιέχει ιόντα λιθίου και καλίου σε ένα χωρικά ελεγχόμενο περιβάλλον. Η πρωτοποριακή αυτή προσέγγιση επέτρεψε τη μεταφορά της καθορισμένης διάταξης των ιόντων στο τελικό υλικό, σε αντίθεση με τις συμβατικές μεθόδους που εισάγουν τα ιόντα με αταξία.
Υψηλή απόδοση και μελλοντικές προοπτικές
Στις δοκιμές που πραγματοποιήθηκαν, το CALiK παρήγαγε περίπου τρεις φορές περισσότερο υπεροξείδιο του υδρογόνου σε σύγκριση με το συμβατικό υλικό αναφοράς.
Υπό ακτινοβολία φωτός μήκους κύματος τετρακοσίων δεκα νανομέτρων, το υλικό πέτυχε φαινόμενη κβαντική απόδοση πενήντα οκτώ τοις εκατό, την υψηλότερη μεταξύ των συγκρινόμενων καταλυτών.
Οι δομικές και φασματοσκοπικές αναλύσεις έδειξαν ότι τα φορτία που δημιουργούνται από το φως διαχωρίζονται πιο αποτελεσματικά, παραμένοντας διαθέσιμα για την αντίδραση με το οξυγόνο για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα. Η μελέτη αποδεικνύει για πρώτη φορά ότι δεν έχει σημασία μόνο το είδος ή η ποσότητα των ιόντων, αλλά και η ακριβής θέση τους στο πλέγμα.
