Уже многие годы экологи бьются за сокращение выбросов в атмосферу парниковых газов, в число которых входит и CO₂. В связи с этим во многих научных группах мира исследуется возможность создания "искусственных листьев" - материалов, способных связывать двуокись углерода в различных органических соединениях и, возможно, высвобождать в результате определенных реакций кислород. Нанокристаллические порошки полупроводниковых материалов, взвешенные в воде, а также поверхностные слои объемных образцов сульфида кадмия (CdS) и сульфида цинка (ZnS) оказались фотокатализаторами для так называемой фоторедукции двуокиси углерода, при которой, по сути, происходит фотосинтез таких химических соединений, как муравьиная кислота, формальдегид, метиловый спирт и др.

Ранее уже было показано, что фотокатализаторами частицы селенида кадмия становятся при размерах меньше некоторого критического значения. И вот, в журнале Physical Review Letters за 12 августа т.г. выходит статья Лайджена Ванга (Ligen G. Wang) с соавторами, в которой описываются результаты проведенных компьютерных модельных исследований поведения молекул CO₂ вблизи поверхности объемных и наноразмерных частиц селенида кадмия (CdSe). Выяснилось, что на активность процессов фотокатализа влияет содержание селена вблизи поверхности: хемосорбция молекул двуокиси углерода на поверхность CdSe происходит именно на "селеновые вакансии". При этом молекула CO₂ притягивает к себе один электрон и, десорбируясь (кстати, именно для преодоления барьера десорбции и нужно в этом случае дополнительное фотовозбуждение), становится более химически активной, что, в результате реакции с ионами H⁺ и OH^-, и приводит к ее связыванию в более сложные органические соединения.

Зная зонную структуру полупроводника, ученые решили искусственно уменьшить барьер десорбции, введя в него примесь индия (акцепторного типа). Как известно, ширина запрещенной зоны полупроводникового нанокристалла растет с уменьшением размера. Исходя из этого было получено теоретическое значение критического диаметра наночастицы: около 3.5 нм. При таком диаметре нанокристалла, электроны, попавшие за счет термоактивации с примесных уровней в зону проводимости могут свободно перетекать на адсорбированную молекулу CO₂, ионизируя ее и, таким образом, повышая ее химическую активность.

Последний результат говорит о том, что нанокристаллические порошки селенида кадмия, легированного примесью индия при размерах частиц около 3-5 нм могут катализировать процесс, называемый редукцией двуокиси углерода, даже в отсутствие освещения.

В итоге, получается этакий "темновой фотосинтез", который можно было бы использовать, например внутри заводских труб, нейтрализуя CO₂, так сказать, in situ, то есть еще до выброса в атмосферу.

Источники:

Scientific American, 15 июля 2002;

L. G. Wang, S. J. Pennycook, S. T. Pantelides Physical Review Letters 89 N 7, 12 августа 2002 [доступно по подписке].