W najnowszym numerze prestiżowego czasopisma „Applied Catalysis B: Environmental” znalazł się artykuł podsumowujący badania nad zmodyfikowanymi fotokatalizatorami (ditlenku tytanu) opartymi na strukturach metaloorganicznych na bazie lantanowców. Prowadził je zespół naukowców z Uniwersytetu Gdańskiego, a za część analiz odpowiadał dr inż. Andrzej Żak z Politechniki Wrocławskiej.

Czasopismo, publikowane przez wydawnictwo Elsevier, na swoich łamach prezentuje wyniki badań z całego świata związane z katalizą, w kontekście szeroko rozumianej ochrony środowiska. W „Applied Catalysis B: Environmental” naukowcy ogłaszają rezultaty prowadzonych przez siebie projektów badawczych związanych m.in. z katalityczną eliminacją zanieczyszczeń środowiska, reakcjami katalitycznymi, w których odpady są przekształcane w użyteczne produkty, czystą produkcją zastępującą toksyczne chemikalia katalizatorami przyjaznymi dla środowiska czy nowymi technologiami spalania katalitycznego oraz katalizatorów. Czasopismo może pochwalić się bardzo wysokim indeksem cytowań (impact factor), aktualnie na poziomie 16.683.

W najnowszym numerze (będącym jeszcze w fazie przygotowania, ale część artykułów została już opublikowana w otwartym dostępie) znalazł się artykuł przygotowany przez naukowców z zespołu prof. Adriany Zaleskiej-Medyńskiej z Wydziału Chemii Uniwersytetu Gdańskiego i dr. inż. Andrzeja Żaka z Wydziału Mechanicznego Politechniki Wrocławskiej. Tekst można przeczytać tutaj.

Badacze zajęli się modyfikacją fotokalizatorów na bazie ditlenku tytanu w oparciu o metaloorganiczne struktury lantanowców. Udało im się wytworzyć bardzo wydajny i dość stabilny kompozyt o architekturze przypominającej rozbudowaną powłokę, który poprawia efektywność procesu fotokatalizy – czyli katalizy zachodzącej pod wpływem promieniowania świetlnego. Fotokatalizę wykorzystuje się m.in. w procesach oczyszczania powietrza, wody, różnych powierzchni, a nawet niszczenia komórek nowotworowych, bakterii czy grzybów.

Autorzy artykułu stworzyli nowy układ fotokatalityczny składający się z sieci lantanowców i karboksylanów oraz ditlenku tytanu, który w tym układzie reaguje na promieniowanie widzialne (czyli światło, które dostrzegamy wzrokiem). Ma to duże znaczenie, bo zazwyczaj do efektywnego procesu fotokatalizy konieczne jest promieniowanie ultrafioletowe (UV).

W wytworzonym przez siebie kompozycie badacze zaobserwowali nowego typu fazy metaloorganiczne (z ang. metal–organic framework, MOF). Potwierdzili ich występowanie, łącząc metody dyfrakcji rentgenowskiej (XRD) i transmisyjnej mikroskopii elektronowej (TEM). W fazach tych molekuły metali są skoordynowane z organicznymi ligandami, tworząc periodyczne struktury podobne do sieci krystalicznej. – Nie są to jednak typowe kryształy – choć mają pewne cechy ich budowy, jak np. płaszczyzny krystalograficzne. Co najważniejsze jednak – fazy te znacznie poprawiają wydajność procesu fotokatalizy – opowiada dr Andrzej Żak.

Dla jednego z kompozytów (na bazie neodymu) badacze zaobserwowali nawet 19-krotny wzrost aktywności fotokatalitycznej w stosunku do materiału bazowego. Naukowcy przewidują, że wyniki ich badań mogą pomóc zwiększyć fotoaktywność półprzewodników i mogą znaleźć zastosowanie komercyjne.

Uczestniczący w badaniach dr Żak z PWr odpowiadał za detekcję i rozróżnienie faz występujących w kompozycie przy użyciu transmisyjnego mikroskopu elektronowego.

– Jako że w dostępnych bazach sieci krystalicznych moi współpracownicy nie znaleźli odniesień do zaobserwowanych przez nas faz, wysnuliśmy hipotezę, że są to nowe struktury – opowiada. – Opisaliśmy je więc na tyle dokładnie, na ile pozwalają obecne metody, co z pewnością będzie stanowiło ułatwienie dla kolejnych badaczy, którzy w przyszłości podejmą ten temat.

Badania toczyły się w ramach projektu „Nowe nanomateriały typu REOF@TiO2 o potencjalnym zastosowaniu w procesach fotokatalitycznych”, którego kierownikiem była Patrycja Parnicka z Wydziału Chemii UG. Nie była to pierwsza współpraca dr. Żaka z naukowcami z Gdańska i tak np. w ubiegłym roku ich wspólny artykuł, także związany z badaniami fotokatalizy, ukazał się w Journal of Hazardous Materials (indeks cytowań na poziomie 9.038). W planach są też kolejne wspólne projekty badawcze.

Głównym tematem badawczym dr. Żaka jest mikroskopia in situ i modyfikowanie mikroskopu elektronowego do wykonywania konkretnego eksperymentu bezpośrednio podczas obserwacji elektronowych. Jego aktualne prace skupiają się na oddziaływaniu na preparat światłem. Naukowiec jest ubiegłorocznym laureatem programu Secundus.

Lucyna Róg