Formaldehyd, często spotykany w roztworze wodnym jako formalina, to bezbarwny gaz o ostrym zapachu, który łatwo reaguje z innymi cząsteczkami. Najczęściej służy do wytwarzania żywic, czyli chemicznych klejów spajających płyty wiórowe, sklejki i wiele materiałów konstrukcyjnych. Jest też składnikiem wielu związków potrzebnych przemysłowi (np. tworzyw, pian izolacyjnych, dodatków do farb i lakierów) oraz bywa używany jako środek dezynfekujący i utrwalający w laboratoriach biologicznych (formaliną konserwuje się próbki tkanek).

Formaldehyd jest jednak toksyczny i może działać drażniąco, a przy długotrwałym narażeniu - rakotwórczo, dlatego jego produkcja i użycie podlegają ścisłym normom emisji.

Dzisiejsza produkcja formaldehydu przypomina gotowanie w piecu: reakcję prowadzi się w temperaturach rzędu kilkuset stopni Celsjusza, zwykle na powierzchni specjalnych materiałów, które działają jak przyspieszacze reakcji chemicznej (katalizatory).

Polscy fizykochemicy pokazują jednak inną drogę – fotokatalizę, czyli reakcję napędzaną światłem. Wyobraźmy sobie farmę paneli słonecznych w skali nano: materiał pochłania fotony, w wyniku czego tworzą się nośniki ładunku (elektrony i ich brak, czyli tzw. dziury), które wykorzystywane są jako mikroskopijne narzędzia chemiczne do selektywnego utlenienia metanolu do formaldehydu. Trik polega na tym, by na jak najdłużej odseparować elektrony od dziur, bo gdy spotkają się zbyt szybko, cała praca idzie na marne – tworzy się jedynie ciepło.

Do tego zadania zbudowano hybrydę dwóch światów. Pierwszy to porowaty MOF – szkielet metaliczno-organiczny, coś jak gąbka z tysiącami równych porów, która rozmieszcza cząsteczki metanolu i tlenu w uporządkowanych kanałach i ułatwia pochłanianie fotonów. Drugi to MXene – przewodzące, warstwowe płatki węglika tytanu (Ti3C2), pełniące rolę miedzianych drutów, które szybko odbierają elektrony i nie pozwalają im wrócić.

Kluczowa sztuczka? Płatki MXene zostały ozdobione grupami karboksylowymi, które działają jak haczyki chemiczne i przyspawują MOF do MXene. Dzięki temu obie części przylegają do siebie bardzo ściśle i wymiana ładunków zachodzi błyskawicznie – bez strat na luźnych stykach.

Technologia ta została stworzona przez zespół naukowców z Uniwersytetu Gdańskiego (Wydział Chemii), we współpracy z Politechniką Śląską, Instytutem Chemii Fizycznej PAN i Politechniką Gdańską, a następnie opublikowana w czasopiśmie naukowym Applied Surface Science.

Zgodnie z wynikami badań najlepiej zadziałała próbka z 1,5 proc. domieszki MXene. W ciągu czterech godzin naświetlania światłem widzialnym (filtr >420 nm) uzyskano 7,08 mikrogramów/ml formaldehydu, a materiał zachował aktywność przez kilka cykli bez wyraźnego spadku jakości.

Dodatkowe testy wykazały, że to dziury (czyli dodatnio naładowane „miejsca po elektronach”) w rzeczywistości wykonują kluczową część reakcji – gdy je wyłapywano specjalnym odczynnikiem, produkcja formaldehydu praktycznie ustawała. Z kolei obecność tlenu w mieszaninie poprawiała wydajność. Tlen bowiem pełni rolę odbiorcy elektronów (akceptora), wychwytuje je tworząc reaktywne formy (np. nadtlenek).

Zgadza się to z opisanym w pracy schematem: głównym elementem roboczym jest dziura, a tlen domyka obwód, odbierając elektrony i podtrzymując rozdzielenie ładunków. Co ważne, zwykła mieszanka proszków działała gorzej niż hybryda połączona chemicznie. To dowód, że bliski kontakt MOF-MXene ma kluczowe znaczenie dla wydajności reakcji.

Badania pokazują więc, że światło z lampy lub Słońca może zastąpić część energii, którą dziś dostarczają piece i sprężarki. Choć wydajność i selektywność procesu trzeba jeszcze poprawić, sama architektura materiału jest obiecująca: MOF działa jak porowata scena, na której światło uruchamia aktorów, a MXene jak reżyser, który trzyma porządek w przepływie elektronów.

Jeśli tę scenę dopracować (np. zwiększając wychwyt światła, precyzyjnie sterując porowatością czy dobierając inne „haczyki” chemiczne), można zbudować prostsze, bezpieczniejsze i mniej energochłonne, a przy tym wystarczająco wydajne metody produkcji związków chemicznych niezbędnych dla funkcjonowania wielu gałęzi przemysłu. Ma to szczególne znaczenie, gdy surowiec, czyli metanol pochodzi z biomasy. Wówczas cała droga od „zielonego” metanolu do formaldehydu zasilanego światłem widzialnym wpisuje się w ideę gospodarki niskoemisyjnej.

Krzysztof Petelczyc (PAP)

kmp/ bar/