Vědci vyvinuli levný a účinný fotokatalyzátor pro výrobu vodíku
Díky specifickému způsobu přípravy, která vede ke vzniku vakancí ve struktuře materiálu, dokáže materiál výrazně zvýšit fotokatalytickou produkci vodíku ve srovnání s komerčně používaným oxidem titaničitým. Materiál je navíc levný, šetrný k životnímu prostředí, lze jej snadno připravit a aktivovat s využitím solárního záření. Výsledky výzkumu publikoval vědecký časopis Scientific Reports.
„Naším záměrem bylo vyvinout grafitický nitrid uhlíku vhodný pro generování vodíku. Z literatury vyplývá, že jeho vlastnosti se dají jednoduše zlepšovat pomocí vakancí. Při takovém postupu se do materiálu nepřidávají žádné další prvky, ale naopak se odebírají některé atomy, čímž se vytvoří prázdná místa ve struktuře, tedy vakance. Zjistili jsme, že jejich vznikem se účinnost materiálu zvýšila zhruba čtyřikrát, než kdyby byl připravený klasickou cestou. Navíc se ukázalo, že například v porovnání s oxidem titaničitým, klasickým fotokatalyzátorem, je náš materiál o 60 procent účinnější,“ uvedl první a korespondenční autor studie Petr Praus z Institutu environmentálních technologií, jenž je součástí CEET, a Katedry chemie a fyzikálně-chemických procesů Fakulty materiálově-technologické VŠB-TUO.
Metoda je velmi jednoduchá, levná a šetrná k životnímu prostředí. Zatímco u oxidu titaničitého je pro jeho fungování potřeba dodávat ultrafialové záření, což zvyšuje náklady procesu, grafitický nitrid uhlíku je schopen pohlcovat viditelné záření. Jako vstupní surovinu vědci navíc zvolili melamin, což je běžně dostupná a levná chemikálie. I proto má vyvinutý nanomateriál velký potenciál pro využití praxi.
„Materiál je v této době velmi moderní a zkoumají ho stovky týmů po celém světě. Nikdo ale ještě nezaznamenal významné výtěžky vodíku v důsledku komplexů vakancí, v tom jsme první. Metodou pozitronové anihilační spektroskopie jsme totiž zjistili, že vakance nevznikají jednotlivě, ale vždy v komplexech. Mechanismus ještě zcela jasný není, na to se chystáme pomocí matematického modelování. Dá se ale předpokládat, že právě komplexy vakancí souvisí se zvýšením účinnosti materiálu,“ doplnil profesor Praus.
Grafitický nitrid uhlíku je nekovový polovodič s úzkým zakázaným pásem kolem 2,7 eV (459 nm), z čehož vyplývá, že je schopný pohlcovat viditelné záření. Díky těmto vlastnostem je materiál zajímavý pro různé aplikace nejen ve fotokatalýze, ale i při výrobě solárních článků, zobrazovacích technikách, bioterapii a detekci některých sloučenin.
Text: Martina Šaradínová, PR specialista pro VaV
Foto: Reaktor pro fotokatalytickou produkci vodíku.
Obrázek: Snímky ze skenovacího elektronového mikroskopu. Málo vakantní (vlevo) a vysoce vakantní (vpravo) g-C3N4. Zdroj: archiv PP