Sursa: arhiva EVZ
Din cuprinsul articolului
O echipă de cercetători a dezvoltat o metodă de calcul considerată extrem de eficientă, care ar putea accelera semnificativ descoperirea unor materiale capabile să transforme lumina solară în energie chimică. Avansul deschide noi perspective pentru tehnologii precum producția de hidrogen sau reducerea dioxidului de carbon, considerate esențiale în tranziția energetică globală.
Potrivit datelor publicate și analizate în mediul științific, fotocataliza rămâne una dintre cele mai promițătoare metode de a valorifica energia solară. Problema majoră a fost însă identificarea unor materiale suficient de eficiente pentru a susține reacțiile chimice necesare la scară largă.
O metodă nouă care schimbă modul în care sunt descoperite materialele
Cercetătorii au propus o abordare teoretică nouă, capabilă să prezică modul în care anumite materiale se comportă din punct de vedere electronic și optic. Această metodă permite simularea proprietăților fără a fi nevoie ca fiecare variantă să fie testată fizic în laborator.
Rezultatele obținute prin această metodă au fost validate ulterior prin experimente realizate pe materiale reale, ceea ce confirmă fiabilitatea modelului.
Potrivit echipei de cercetare, acest tip de abordare ar putea reduce semnificativ timpul necesar pentru dezvoltarea de noi materiale și ar accelera progresul în domeniul energiei verzi.
Materialele care pot capta lumina vizibilă
În centrul acestei descoperiri se află imidele de poliheptazină, materiale care aparțin familiei nitrurilor de carbon. Acestea au o structură stratificată, asemănătoare grafenului, dar sunt construite din unități moleculare bogate în azot.
Spre deosebire de grafen, care este cunoscut pentru conductivitatea sa electrică, dar nu este eficient în procesele fotocatalitice, imidele de poliheptazină au o proprietate esențială: pot absorbi lumina vizibilă.
Această caracteristică le face potrivite pentru declanșarea reacțiilor chimice folosind energia solară.
Soarele. Sursa foto: Pixabay
De ce nu funcționau bine până acum
Deși aceste materiale sunt studiate de mai mulți ani, performanța lor a fost limitată de modul în care electronii și „găurile” (zonele cu sarcină pozitivă) interacționează în interiorul structurii.
În mod ideal, atunci când un foton lovește materialul, acesta ar trebui să genereze un electron liber capabil să participe la reacții chimice. În practică, electronul se recombină rapid cu „gaura” rămasă, iar energia se pierde sub formă de căldură sau lumină.
Această problemă a redus eficiența proceselor fotocatalitice și a limitat utilizarea acestor materiale.
Rolul ionilor metalici în creșterea eficienței
Noua metodă de calcul a permis cercetătorilor să analizeze modul în care introducerea unor ioni metalici modifică structura acestor materiale.
Rezultatele arată că ionii pot schimba distanța dintre straturi și modul în care atomii sunt legați între ei. Aceste modificări influențează direct proprietățile electronice și optice ale materialului.
Practic, cercetătorii pot „regla” structura materialului pentru a îmbunătăți capacitatea acestuia de a absorbi lumina și de a genera reacții chimice.
Teste confirmate în laborator
Pentru a verifica predicțiile teoretice, echipa a sintetizat opt variante diferite de materiale de tip poliheptazină imidă, fiecare conținând un ion metalic distinct.
Acestea au fost testate în reacții de producere a peroxidului de hidrogen, o substanță chimică utilizată pe scară largă în industrie.
Rezultatele experimentale au confirmat că modificările structurale prezise prin simulare influențează direct performanța materialelor.
Impactul economic și tehnologic
Descoperirea ar putea avea implicații majore pentru mai multe domenii energetice și industriale.
Printre aplicațiile vizate se numără producerea de hidrogen prin scindarea apei, un proces considerat esențial pentru dezvoltarea combustibililor curați. De asemenea, materialele ar putea fi utilizate pentru reducerea dioxidului de carbon și transformarea acestuia în substanțe utile.
Un alt domeniu important este producția de peroxid de hidrogen, un compus utilizat în numeroase procese industriale.
Materiale ieftine și stabile, cu potențial mare
Un avantaj important al acestor materiale este faptul că sunt relativ ieftine de produs, netoxice și stabile din punct de vedere termic.
Aceste caracteristici le fac atractive pentru utilizare la scară industrială, în comparație cu alte materiale mai costisitoare sau instabile.
Cu toate acestea, dezvoltarea unor variante suficient de eficiente rămâne o provocare, iar noua metodă de calcul ar putea accelera semnificativ acest proces.
Un pas înainte în cursa pentru energia viitorului
Cercetătorii consideră că această abordare ar putea deschide calea pentru o dezvoltare rapidă a materialelor fotocatalitice.
Prin reducerea timpului necesar pentru identificarea celor mai eficiente structuri, noua metodă ar putea contribui la accelerarea tranziției către surse de energie mai curate.
