A fotocatálise oferece um método promissor para converter grandes quantidades de luz solar em energia química útil. Os materiais imida de poliheptazina são um dos materiais que têm atraído muita atenção e suas características estruturais e funcionais os tornam particularmente eficazes para reações fotocatalíticas. Até recentemente, os cientistas tinham uma compreensão limitada de como as mudanças estruturais afetam o comportamento eletrônico e óptico de muitos materiais possíveis desta família.
Pesquisadores liderados por uma equipe do Centro de Compreensão Avançada de Sistemas (CASUS) do Helmholtz Zentrum Dresden-Rosendorf (HZDR) introduziram agora uma abordagem teórica confiável e reprodutível para este problema. Suas previsões foram verificadas através de medições de amostras de materiais reais. A equipe acredita que este desenvolvimento poderia acelerar significativamente a pesquisa sobre poliheptanimidas e inspirar um rápido desenvolvimento na área.
Materiais de nitreto de carbono e absorção de luz visível
As poliheptazinamidas pertencem à categoria mais ampla de nitretos de carbono. Esses materiais são compostos de estruturas em camadas semelhantes ao grafeno, mas feitas de unidades moleculares em forma de anel ricas em nitrogênio.
Embora o grafeno seja conhecido por sua excelente condutividade elétrica, ele não funciona bem como fotocatalisador. A poliheptazinamida tem uma diferença fundamental. Seu band gap eletrônico permite que absorvam a luz visível, o que os torna adequados para reações químicas induzidas pela luz solar.
Os materiais de nitreto de carbono também oferecem uma variedade de vantagens práticas. Eles são relativamente baratos de produzir, não tóxicos e termicamente estáveis. No entanto, as primeiras versões desses materiais tiveram um desempenho ruim como fotocatalisadores porque suas propriedades internas limitavam a separação efetiva de cargas.
Quando um fóton atinge um material, ele pode excitar elétrons e afastá-los de suas posições originais, deixando para trás buracos carregados positivamente. Se os elétrons se recombinarem rapidamente com os buracos, a energia será liberada apenas como calor ou luz, em vez de desencadear uma reação química.
“As imidas de poliheptazina contendo íons metálicos carregados positivamente exibem uma separação de carga significativamente melhorada. Esta propriedade os torna adequados para aplicações práticas, “disse o primeiro autor, Dr. Zahra Hajiahmadi.
A modelagem computacional acelera a busca por melhores catalisadores
São necessários materiais melhorados para desbloquear o potencial económico de vários processos fotocatalíticos. Estes incluem a divisão da água (para produzir hidrogénio como combustível), a redução do dióxido de carbono (para produzir hidratos de carbono básicos como combustível ou produto químico industrial) e a produção de peróxido de hidrogénio (como produto químico industrial básico).
Projetar um catalisador de poliheptazinimida que tenha um bom desempenho para uma reação específica requer um controle cuidadoso de muitos aspectos de sua estrutura. É impraticável criar e testar todos os possíveis materiais candidatos no laboratório. Portanto, os métodos computacionais desempenham um papel crucial na redução das possibilidades.
“O espaço de design é enorme”, explica o professor Thomas D. Kühne, diretor do CASUS, chefe da equipe de pesquisa “Teoria de Sistemas Complexos” do CASUS e autor sênior do estudo. “Por exemplo, grupos funcionais podem ser adicionados à superfície ou átomos específicos de nitrogênio ou carbono podem ser substituídos por átomos de oxigênio ou fósforo.”
O grupo de pesquisa de Kühne está desenvolvendo técnicas numéricas avançadas projetadas para reproduzir com eficiência e precisão o comportamento químico e físico de materiais complexos.
Sistema testa 53 íons metálicos
Uma característica definidora da poliheptazinamida é a presença de poros carregados negativamente dentro do material. Esses poros podem acomodar íons metálicos carregados positivamente, o que pode melhorar significativamente o desempenho catalítico.
O trabalho de Hajiahmadi é o primeiro estudo abrangente de como diferentes íons metálicos afetam as propriedades optoeletrônicas desses materiais. O estudo examinou um total de 53 íons metálicos, classificando-os com base em sua localização na estrutura (no plano ou entre camadas) e como alteram a geometria do material (causando ou não deformação).
“Usamos uma estrutura computacional confiável e repetível que foi além dos métodos tradicionais de modelagem”, disse Alhaji Amadi. “Os estudos computacionais padrão de fotocatalisadores normalmente se concentram nas propriedades do estado fundamental e ignoram os efeitos do estado excitado, embora a fotocatálise seja essencialmente conduzida por portadores de carga fotoexcitados. Especificamente, empregamos uma abordagem da teoria de perturbação de muitos corpos.”
Esses métodos partem de sistemas modelo simplificados que não incluem interações de partículas. As interações são então adicionadas como pequenas correções, permitindo aos pesquisadores estimar até que ponto um grande número de partículas influencia umas às outras. Embora tais cálculos exijam muito poder computacional e raramente sejam usados em campo, novas pesquisas demonstram seu valor. A estrutura descreve exatamente como esses materiais absorvem luz e como sua estrutura eletrônica se comporta quando exposta à luz.
Experimento confirma previsão teórica
Os pesquisadores usaram seus métodos computacionais para explorar como diferentes íons metálicos alteram a estrutura da rede de poliheptazinimida. A sua análise mostrou que a introdução de íons pode induzir mudanças estruturais mensuráveis, incluindo mudanças no espaçamento entre camadas e mudanças no ambiente de ligação local. Estas mudanças estruturais afetam diretamente a estrutura da banda eletrônica e as propriedades ópticas dos materiais, o que por sua vez afeta sua eficiência na captura de luz.
Para testar suas previsões, a equipe sintetizou oito materiais de poliheptazinimida, cada um contendo um íon metálico diferente. Esses materiais foram então avaliados quanto à sua capacidade de catalisar a produção de peróxido de hidrogênio.
“Os resultados mostram claramente um elevado grau de concordância com as nossas previsões e superam os métodos de cálculo concorrentes”, concluiu Haji Amadi.
Kühne acrescentou: “Se houvesse alguma dúvida sobre se a poliheptanimida é uma das plataformas mais promissoras para a tecnologia fotocatalítica de próxima geração, acredito que este trabalho pode dissipar essas dúvidas. O caminho para o projeto direcionado de fotocatalisadores de poliheptanimida eficientes para reações sustentáveis está agora mais claro. Não tenho dúvidas de que será adotado com frequência e com sucesso.”
