Synthesis of mesoporous networks of metal-chalcogenide nanocrystals for photocatalytic applications and hydrogen fuel production
Authors: Βαμβασάκης Ιωάννης 
Published: September 2021

Η σύνθεση μεσοπορώδων (μεγέθους πόρων από 2 έως 50 nm) δομημένων υλικών από ανόργανους νανοκρυστάλλους (NCs) αποτελεί μια σημαντική πρόκληση στην επιστήμη των υλικών και στη χημική νανοτεχνολογία. Τέτοια αυτο-οργανωμένα υλικά έχουν την ικανότητα να ενσωματώνουν συμπληρωματικές ιδιότητες στην δομή τους, όπως το νανοπορώδες και οι φωτοκαταλυτικές και ηλεκτρονιακές ιδιότητες των επιμέρους νανοκρυστάλλων. Αυτά τα χαρακτηριστικά μπορεί να τους προσφέρουν ενισχυμένες εφαρμογές για φωτοκατάλυση, μετατροπή ηλιακής ενέργειας, χημικούς αισθητήρες και εκλεκτική προσρόφηση και διαχωρισμό. Αν και έχει επιτευχθεί μεγάλη πρόοδος στη σύνθεση πορωδών υλικών από νανοσωματίδια μετάλλων και οξειδίων μετάλλων με υψηλή επιφάνεια και οργανωμένους μεσοπόρους, η σύνθεση τρισδιάστατων μεσοπορώδων πλεγμάτων από νανοκρυστάλλους χαλκογονιδίων-μετάλλων εξακολουθεί να αποτελεί πρόκληση στην επιστήμη υλικών και στη χημική νανοτεχνολογία. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή αναπτύχθηκε με επιτυχία και παρουσιάζεται μία νέα και αποδοτική στρατηγική σύνθεσης μεσοπορώδων δομών από διασυνδεδεμένους νανοκρυστάλλους σουλφιδίου-μετάλλου. Με χρήση μιας απλής μεθόδου, η οποία περιλαμβάνει οξειδωτικό πολυμερισμό κολλοειδών νανοσωματιδίων παρουσία οργανικού πολυμερικού εκμαγείου, μπορούν να παρασκευαστούν αυτο-οργανωμένες μεσοδομές οι οποίες αποτελούνται από νανοκρυστάλλους χαλκογονιδίου-μετάλλου και εμφανίζουν τρισδιάστατη δομή ανοιχτού πόρου με μεγάλη επιφάνεια και ομοιόμορφους πόρους. Με κατάλληλη επιλογή των αρχικών δομικών μονάδων, αυτή η μέθοδος σύνθεσης μπορεί να οδηγήσει στην ανάπτυξη μεσοπορώδων υλικών από νανοσωματίδια χαλκογονιδίων-μετάλλων διαφορετικής χημικής σύστασης και μεγέθους, επιτρέποντας έτσι τον σχεδιασμό και τη δημιουργία προσαρμοσμένων χαρακτηριστικών και επιθυμητών λειτουργιών. Λόγω της υψηλής και προσβάσιμη εσωτερικής επιφάνειας και της ικανότητας απορρόφησης ορατής ακτινοβολίας, τα παρόντα μεσοπορώδη νανοδομημένα υλικά (NCAs) μελετήθηκαν ως πιθανοί καταλύτες, ιδιαίτερα στον τομέα της φωτοκατάλυσης και της φωτοχημικής αναγωγής του νερού προς παραγωγή υδρογόνου. Συγκεκριμένα, η παρασκευή μεσοπορώδων σύνθετων νανοϋλικών διαφορετικής σύνθεσης (π.χ. CuS / CdS) ή η εναπόθεση ενεργών συγκαταλυτών όπως νανοσωματίδια Pt ή Ni(ΟΗ)2 στην επιφάνεια του μεσοπορώδους CdS NCAs συνέβαλλαν στην συνεργιστική αύξηση της φωτοκαταλυτικής δράσης των υλικών αυτών λόγω του σχηματισμού αποτελεσματικών νανο-συζεύξεων – αυτές οι νανοεπαφές μπορούν να ενισχύσουν το διαχωρισμό και τη μεταφορά των φωτο-παραγόμενων φορτίων. Όλα τα σύνθετα μεσοδομημένα υλικά που εξετάστηκαν παρουσιάζουν αυξημένη σταθερότητα και αξιοσημείωτη φωτοκαταλυτική δραστικότητα στην παραγωγή υδρογόνου, υπερβαίνοντας σε απόδοση άλλους αναφερόμενους φωτοκαταλύτες με βάση το CdS, επιδεικνύοντας έτσι την δυνατότητά τους για πρακτική εφαρμογή στην φωτοκαταλυτική παραγωγή υδρογόνου. Συνολικά, το ερευνητικό αυτό έργο επιθυμεί να συμβάλει στη δημιουργία νέων δυνατοτήτων για το σχεδιασμό και τη σύνθεση καινοτόμων λειτουργικών υλικών από χαλκογονίδια-μετάλλων και στην καλύτερη κατανόηση ορισμένων βασικών χαρακτηριστικών για την αποδοτική μετατροπή της ηλιακής ενέργειας σε υδρογόνο.