Nanometrische koolstofnitride-fotokatalysatoren met ‘à la carte’-eigenschappen

De industrie moet steeds dringender overschakelen op duurzame, synthetische systemen om toegang te krijgen tot veelgebruikte chemicaliën. In deze context is het cruciaal om heterogene fotokatalyseprocessen te bedenken met gebruikmaking van gemakkelijk verkrijgbare, metaalvrije katalysatoren.

Koolstofnitride is een op koolstof en stikstof gebaseerd nanomateriaal dat zichtbaar licht kan absorberen en de in fotonen aanwezige energie kan gebruiken om chemische reacties van industrieel belang te katalyseren. Koolstofnitride is een fotokatalysator die gemakkelijk op grote schaal te produceren is met algemeen verkrijgbare, kosteneffectieve precursoren. Dit heterogene materiaal is stabiel, robuust en gemakkelijk te recyclen. Bovendien zou koolstofnitride kunnen worden gebruikt om kostbare en potentieel giftige katalysatoren op metaalbasis te vervangen.

Een studie uitgevoerd in het Carbon Bionanotechnology-laboratorium van CIC biomaGUNE en gepubliceerd in Science Advances heeft bepaald hoe eenvoudige, postsynthetische structurele modificaties de fotokatalytische activiteit van koolstofnitriden sterk kunnen beïnvloeden. “Door de chemische en fysische eigenschappen van dit materiaal te perfectioneren, kan het koolstofnitride nieuwe structurele kenmerken krijgen en daardoor de fotokatalytische activiteit wijzigen”, legt Maurizio Prato, een Ikerbasque-professor en AXA-leerstoel, uit. Wat nieuw is aan deze studie ligt in “de evaluatie van hoe verschillende postsynthetische modificaties verschillende, specifieke fotokatalytische activiteiten van de resulterende materialen verlenen in relatie tot een organisch reactiemodel.”

In het bijzonder zijn innovatieve, mechanistische studies uitgevoerd met betrekking tot de interactie tussen het oppervlak van de nanomaterialen en de gebruikte reagentia. Deze interactie varieert met postsynthetische modificatie, en als resultaat zou koolstofnitride kunnen worden geselecteerd als het meest katalytisch effectief. Bovendien “bleek de rationalisatie van de chemische verschijnselen die plaatsvinden op het oppervlak van het materiaal een fundamentele parameter te zijn voor het ontwerp van nieuwe en efficiëntere katalytische systemen”, zei hij.

Op dit moment wordt het gebruik van koolstofnitride onderzocht voor het produceren van schone energie, zoals waterstofproductie, wateroxidatie in zuurstof en de omzetting van koolstofdioxide in organische verbindingen van industriële betekenis. “In onze studie is een organische reactie ontwikkeld voor het synthetiseren van moleculen met een hoog fluorgehalte, wat nuttig is in de farmaceutische, agrovoedingssector en materiaalkunde”, aldus Prato. De bestudeerde reactie werd ook uitgevoerd in zonlicht “en presteerde buitengewoon goed”.

Prato zegt: “Onze studie zou een startpunt kunnen zijn voor het vaststellen van een nieuwe benadering bij de ontwikkeling van heterogene fotokatalysatoren en voor het leggen van de basis voor een nieuwe benadering bij de engineering van deze materialen met betrekking tot specifieke toepassingen.”