صرفه‌جویی ۹۹ درصدی مصرف انرژی با فوتوکاتالیست‌های نقاط‌ کوانتومی

پژوهشگران دانشکده علوم دانشگاه علوم و فناوری هنگ‌کنگ با بهره‌گیری از نقاط کوانتومی توانسته‌اند نوعی فوتوریداکتانت فوق‌ قدرتمند طراحی کنند که تنها با یک‌صدم انرژی نوری موردنیاز سامانه‌های معمول، واکنش‌های شیمی آلی را پیش می‌برد.

کد خبر: ۸۱۹۴۰۸

تاریخ: ۲۲ تير ۱۴۰۴ - ۰۹:۱۰

به گزارش روز یکشنبه گروه علمی ایران اکونومیست از ستاد ویژه توسعه فناوری نانو، گروهی از پژوهشگران دانشگاه علوم و فناوری هنگ‌کنگ (Hong Kong University of Science and Technology) موفق به طراحی یک سامانه فوتوکاتالیستی نوین با مصرف انرژی نوری ناچیز شده‌اند که می‌تواند مسیر تازه‌ای را در سنتزهای شیمی آلی بگشاید. این دستاورد نویدبخش انقلابی در استفاده از نقاط کوانتومی به عنوان کاتالیزورهای نوری است. این فناوری نوآورانه در نشریه علمی Nature Communications منتشر شده است.

نقاط کوانتومی به عنوان کاتالیزورهای نوری، سال‌هاست که در مرکز توجه جامعه علمی برای انجام واکنش‌های اکسایش‌ـ‌کاهش نوری قرار دارند، اما پیچیدگی‌های فیزیک نوری آن‌ها باعث شده بود تا کاربردشان در سنتز آلی از رقبای مولکولی‌شان عقب بماند. در سال‌های اخیر تلاش‌های بسیاری برای استفاده از الکترون‌های داغ حاصل از تحریک این نقاط در شرایط ملایم صورت گرفت، اما دستیابی به بازدهی بالا همچنان دشوار باقی مانده بود.

در این مطالعه، گروهی به رهبری پروفسور “لو های‌پنگ” (Lu Haipeng) از گروه شیمی دانشگاه علوم و فناوری هنگ‌کنگ، با طراحی یک سامانه نوین متشکل از نقاط کوانتومی حاوی یون‌های دوظرفیتی منگنز (Mn²⁺) در ساختار CdS/ZnS، موفق به ایجاد مکانیزمی کارآمد برای تولید الکترون‌های داغ شدند. این مکانیزم بر پایه فرآیند «آگر با تبادل اسپین دو فوتونی» (Two-photon Spin-Exchange Auger Process) عمل می‌کند و امکان بهره‌گیری از نور مرئی را برای پیشبرد واکنش‌ها فراهم می‌سازد.

به گفته پژوهشگران، الکترون‌های داغ حاصل از این سامانه، قابلیت انجام واکنش‌های پیچیده‌ای چون کاهش بیرچ (Birch Reduction) و شکستن انتخابی پیوندهای شیمیایی نظیر C-Cl، C-Br، C-I، C-O، C-C و N-S را دارند؛ آن هم در شرایطی که پتانسیل کاهش مواد اولیه به منفی ۳.۴ ولت (نسبت به SCE) نیز برسد.

نکته‌ چشمگیر آن‌که تمامی این واکنش‌ها تنها با یک درصد انرژی نوری سامانه‌های رایج انجام می‌گیرند، که نتیجه به‌کارگیری راهبرد تحریک دو فوتونی در طراحی کاتالیزور است. چنین راندمانی، این فناوری را به یکی از قدرتمندترین روش‌های شناخته‌شده برای پیشبرد واکنش‌های ردوکس تبدیل می‌کند.

از دیگر ویژگی‌های ممتاز این سامانه، امکان خاموش و روشن کردن تولید الکترون‌های داغ تنها با تنظیم شدت نور تابشی است. این توانمندی، طراحی واکنش‌های چندمرحله‌ای پیوسته با قابلیت برنامه‌ریزی را ممکن می‌سازد؛ امری که در سامانه‌های مولکولی سنتی عملاً غیرممکن بود.

پروفسور “لو” درباره اهمیت این کشف می‌گوید: این پژوهش قابلیت‌های بی‌سابقه‌ نیم‌رساناهای کوانتومی را در پیشبرد واکنش‌های شیمیایی دشوار نشان می‌دهد؛ واکنش‌هایی که با فوتوکاتالیست‌های مولکولی مرسوم قابل انجام نبودند.

این دستاورد نه تنها گامی بلند در مسیر کاهش مصرف انرژی در فرآیندهای شیمیایی است، بلکه می‌تواند افق‌های تازه‌ای را برای سنتز سبز، طراحی واکنش‌های پایدار، و توسعه داروهای پیچیده بگشاید.