Il Sole può essere un chimico migliore, grazie a matrici di nanorod di ossido di zinco cresciute su un substrato di grafene e "decorate" con puntini di solfuro di cadmio. In presenza di radiazione solare, questa combinazione di strutture semiconduttrici zero e unidimensionali con grafene bidimensionale è un ottimo catalizzatore per molte reazioni chimiche. L'innovativo materiale fotocatalitico è stato sviluppato da un gruppo di scienziati dell'Istituto di chimica fisica dell'Accademia polacca delle scienze di Varsavia e dell'Università di Fuzhou in Cina.

È una strana foresta. Semplice, tronchi uniformemente distribuiti crescono da una superficie piana, salendo di lunghi nanometri fino a dove corone di semiconduttori catturano avidamente ogni raggio di sole. Questa è la vista al microscopio del nuovo materiale fotocatalitico, sviluppato da scienziati dell'Istituto di chimica fisica dell'Accademia polacca delle scienze (IPC PAS) di Varsavia, Polonia, e Laboratorio statale chiave di fotocatalisi su energia e ambiente, Facoltà di Chimica dell'Università di Fuzhou, Cina. Il nuovo materiale 3D è stato progettato in modo che durante il trattamento dell'energia solare si ottenga la migliore collaborazione tra i punti di solfuro di cadmio (le cosiddette strutture a dimensione zero), i nanotubi di ossido di zinco (strutture 1D), e grafene (strutture 2D).

I metodi per convertire l'energia luminosa che raggiunge la Terra dal Sole possono essere divisi in due gruppi. Nel gruppo fotovoltaico, i fotoni sono utilizzati per la generazione diretta di energia elettrica. L'approccio fotocatalitico è diverso:qui la radiazione, sia visibile che ultravioletto, viene utilizzato per attivare composti chimici ed eseguire reazioni che immagazzinano energia solare. In questo modo è possibile ad es. ridurre la CO2 a metanolo, sintetizzare carburante o produrre preziosi intermedi organici per l'industria chimica o farmaceutica.

Il principio di funzionamento del nuovo, fotocatalizzatore tridimensionale, sviluppato dal gruppo dell'IPC PAS e dell'Università di Fuzhou, è semplice. Quando un fotone con l'energia appropriata cade sul semiconduttore - ossido di zinco ZnO o solfuro di cadmio CdS - si forma una coppia elettrone-lacuna. In circostanze normali si ricombinerebbe quasi immediatamente e l'energia solare andrebbe persa. Però, nel nuovo materiale gli elettroni - rilasciati in entrambi i semiconduttori a seguito dell'interazione con i fotoni - scorrono rapidamente lungo le nanobarre fino alla base del grafene, che è un ottimo conduttore. La ricombinazione non può avvenire e gli elettroni possono essere utilizzati per creare nuovi legami chimici e quindi per sintetizzare nuovi composti. La reazione chimica vera e propria avviene sulla superficie del grafene, precedentemente rivestito con i composti organici che devono essere lavorati.

L'ossido di zinco reagisce solo con le radiazioni ultraviolette, di cui non c'è che una piccola percentuale alla luce del sole. Perciò, i ricercatori dell'IPC PAS e dell'Università di Fuzhou hanno anche ricoperto le foreste di nanorod con solfuro di cadmio. Questo reagisce principalmente con la luce visibile, di cui ca. 10 volte di più dell'ultravioletto - e questo è il principale fornitore di elettroni per le reazioni chimiche.

"Il nostro materiale fotocatalitico opera con un'elevata resa. Solitamente lo aggiungiamo ai composti in lavorazione in un rapporto di circa 1:10. Dopo l'esposizione alla radiazione solare entro non più di mezz'ora trasformiamo l'80% e talvolta anche oltre il 90 % dei substrati, " sottolinea il Prof. Yi-Jun Xu (FRSC) dell'Università di Fuzhou, dove la maggior parte degli esperimenti è stata condotta dal gruppo di ricerca da lui guidato.

"Il grande vantaggio del nostro fotocatalizzatore è la facilità di produzione, " osserva a sua volta il Prof. Juan Carlos Colmenares dell'IPC PAS. "Il grafene adatto per applicazioni in fotochimica è ora disponibile senza maggiori problemi e non è costoso. A sua volta, il processo da noi inventato per rivestire il grafene con piantagioni di nanotubi di ossido di zinco, su cui successivamente depositiamo solfuro di cadmio, è veloce, efficiente, avviene ad una temperatura di poco superiore a quella ambiente, a pressione normale, e non richiede substrati sofisticati."

Per un'applicazione su scala più ampia è importante che il nuovo fotocatalizzatore venga consumato lentamente. Gli esperimenti fino ad oggi effettuati mostrano che solo dopo il sesto-settimo utilizzo si verifica una leggera diminuzione di circa il 10% nella resa della reazione.

Usato abilmente, il nuovo fotocatalizzatore 3D può alterare significativamente il corso delle reazioni chimiche. Il suo uso, per esempio. nell'industria farmaceutica, potrebbe ridurre il numero di fasi di produzione di alcuni composti farmacologici da una dozzina a poche.