Výzkumníci z Dalian Institute of Chemical Physics při Chinese Academy of Sciences a Inner Mongolia University představili světlem poháněný nanoreaktor pro přípravu peroxidu vodíku. Zařízení označované jako CdS@polydopamine tvoří dutá částice ze sulfidu kademnatého s porézním obalem z polydopaminu. Autoři se při jejím návrhu inspirovali dvěma vlastnostmi živých buněk: oddělováním chemických dějů do malých prostorů a řízeným pohybem protonů. Podle studie zveřejněné v časopise Journal of the American Chemical Society dosáhl materiál ve vodném roztoku při ozáření viditelným světlem produkce 3,24 milimolu peroxidu vodíku na gram katalyzátoru za hodinu.
Peroxid vodíku, H2O2, je sloučenina využívaná například při dezinfekci, bělení a v chemickém průmyslu. Zkoumaný postup patří mezi fotokatalytické reakce, při nichž polovodičový materiál po pohlcení světla umožňuje chemické přeměny. V tomto případě musí současně probíhat dvě navázané poloreakce: redukce kyslíku a oxidace vody. Jejich nerovnoměrná rychlost může omezovat celkovou tvorbu peroxidu vodíku. Právě sladění těchto dějů bylo jedním z cílů nové konstrukce.
Dutina pro světlo, obal pro protony
První částí buněčné inspirace je dutý vnitřní prostor nanoreaktoru. Porézní stěna kolem nanodutiny vytváří omezené prostředí, v němž se mohou hromadit reagující látky a zároveň jím mohou procházet molekuly. Autoři uvádějí, že tato architektura také zachycuje dopadající fotony, tedy částice světla, a prodlužuje tak jejich působení v materiálu. Nejde o kopii celé buňky, ale o využití jejího principu kompartmentalizace: biologické systémy oddělují různé procesy do specializovaných prostorů.
Druhou složkou je polydopaminový obal. V něm se střídají dvě chemické formy, katechol a o-benzochinon, které mohou vratně přijímat a odevzdávat protony. Vzniká tak protonové relé, tedy soustava usnadňující přesun protonů mezi místy chemické reakce. To má urychlit protonově spřažený přenos elektronu, při němž se pohyb elektronu váže na pohyb protonu. Autoři zdůrazňují, že tento mechanismus nenahrazuje buněčnou protonovou pumpu; jde o chemické relé zabudované do syntetického materiálu.
Funkci nanoreaktoru tým zkoumal kombinací spektroskopických měření přímo během reakce, fotochemických analýz, simulací metodou konečných prvků a teoretických výpočtů. Na jejich základě autoři popsali mechanismus označovaný jako Z-scheme heterojunction. Jde o uspořádání dvou polovodičových složek, které má usměrňovat pohyb elektrických nábojů vzniklých po ozáření. V práci má tento mechanismus vysvětlovat, proč se podařilo současně podpořit redukci kyslíku i oxidaci vody.
Vedle rychlosti tvorby produktu studie uvádí účinnost přeměny sluneční energie na chemickou energii 1,2 procenta. Tento údaj se vztahuje k laboratornímu systému pracujícímu při viditelném osvětlení ve vodném prostředí. Výsledky proto samy o sobě neukazují, jak by materiál fungoval při průmyslové výrobě peroxidu vodíku, kde by bylo nutné hodnotit mimo jiné dlouhodobou provozní stabilitu, náklady na výrobu katalyzátoru a nakládání s použitým materiálem.
V další části experimentů výzkumníci nanoreaktory uzavřeli do hydrogelu z alginátu sodného. Vznikl tak pevný kompozitní materiál, který bylo možné po reakci znovu použít. Autoři uvádějí, že v této podobě dokázal stabilně syntetizovat peroxid vodíku také při přirozeném slunečním světle. Práce představuje návrh fotokatalyzátoru založený na propojení prostorového uspořádání částice a přenosu protonů; jeho praktické nasazení by však vyžadovalo další ověření mimo laboratorní podmínky.
Zdroj: ScienceDaily
Tento článek byl vytvořen s pomocí umělé inteligence a redakčně zkontrolován.