Monikomponenttiset sulasuolat ovat keskeisiä aineita, joiden käyttö on laajentunut monille eri alueille, kuten energian varastointiin, katalyysiin ja ympäristön puhdistamiseen. Näiden suolojen erityisominaisuudet, kuten korkeammat sulamispisteet, stabiilisuus ja kyky reagoida erilaisiin kemiallisiin yhdisteisiin, tekevät niistä kiinnostavan tutkimusalueen.

Yksi tärkeimmistä tutkimusalueista on monikomponenttisten sulasuolojen rooli energian varastoinnissa. Esimerkiksi, sulasuolat, kuten litiumtungstataat (Li2WO4) ja hopeatungstataat (Ag2WO4), ovat olleet erityisen mielenkiintoisia niiden erinomaisen sähkökemiallisen aktiivisuuden ja korkean sähkövarauskapasiteetin ansiosta. Tällaisilla materiaaleilla on potentiaalia kehittyä tulevaisuuden akkukemikaaleiksi, sillä ne tarjoavat parempaa suorituskykyä ja pidempää käyttöikää verrattuna perinteisiin litiumioniakkujen materiaaleihin.

Toinen monikomponenttisten sulasuolojen käyttöalue on katalyysi. Tietyt yhdistelmät, kuten hopea-molybdaatti (Ag2MoO4) ja hopeatungstataatti (Ag2WO4), ovat osoittaneet merkittävää potentiaalia valokatalyysissä ja orgaanisten saasteiden hajottamisessa. Tällaisia materiaaleja voidaan hyödyntää ympäristön puhdistuksessa, erityisesti veden ja ilman saastumisen vähentämisessä. Valokatalyysin tehokkuus riippuu osittain siitä, miten monikomponenttiset suolat reagoivat valon kanssa ja miten ne hajottavat haitallisia aineita.

Näiden suolojen kemialliset ominaisuudet, kuten niiden kyky siirtää elektroneja ja adsorboida valoa, tekevät niistä houkuttelevia optisissa ja sähköisissä sovelluksissa. Esimerkiksi hopean ja muiden metallioksidien, kuten titaanioksidin, yhdistelmät voivat toimia tehokkaina valon absorboijina ja edistää reaktioita, kuten veden jakamista ja hiilidioksidin pelkistämistä.

Molekyylirakenteiden ja kristallien tarkempi tutkimus on avainasemassa, jotta voidaan ymmärtää, kuinka nämä materiaalit käyttäytyvät tietyissä olosuhteissa. On havaittu, että optiset ja luminesenssiset ominaisuudet voivat vaihdella suuresti riippuen siitä, kuinka monta komponenttia sulasuolassa on ja miten nämä komponentit vuorovaikuttavat toistensa kanssa.

Mikä tekee monikomponenttisista sulasuoloista erityisiä, on niiden kyky luoda ainutlaatuisia rakenteita ja ominaisuuksia, jotka eivät ole mahdollisia yksittäisillä komponenteilla. Esimerkiksi, suolojen eri ioniset muodot voivat olla stabiilimpia tai reagoida eri tavoin ympäristön muutoksiin. Tämä tekee mahdolliseksi kehittää uusia materiaaleja, jotka voivat vastata erityisiin teollisiin tarpeisiin, kuten korkean lämpötilan sovelluksiin tai erittäin nopeaan energiansiirtoon.

Tulevaisuuden haasteena on kuitenkin selvittää, kuinka monikomponenttisia sulasuoloja voidaan valmistaa kustannustehokkaasti ja kestävästi. Vaikka materiaalien synteesi on kehittynyt, edelleen tarvitaan parannuksia niiden prosessoinnissa ja valvonnassa, jotta voidaan taata materiaalin puhtaus ja optimaalinen suorituskyky.

Yksi keskeinen huomio, joka on tärkeää ymmärtää, on se, että monikomponenttisten sulasuolojen valmistusprosessi ei ole aina yksinkertainen. Se vaatii tarkkaa kemiallista kontrollia ja useiden muuttujien hallintaa, kuten lämpötilaa, reagointiaikaa ja reaktio-olosuhteita. Tällöin synteesiolosuhteiden optimointi on olennainen tekijä, joka voi vaikuttaa materiaalin tulevaisuuden sovelluksiin ja käyttöikään.

Lisäksi on tärkeää ottaa huomioon, että vaikka monikomponenttisten sulasuolojen käyttö on lupaavaa, niiden mahdolliset ympäristövaikutukset ja turvallisuus ovat kysymyksiä, joihin on kiinnitettävä huomiota. Näiden materiaalien elinkaari, hävittämismenetelmät ja mahdolliset myrkylliset vaikutukset ihmisiin ja ekosysteemeihin ovat tärkeitä tutkimusalueita, jotka voivat vaikuttaa niiden laajempaan käyttöön tulevaisuudessa.

Miten puolijohteiden fotokatalyyttiset ominaisuudet vaikuttavat ympäristön puhdistamiseen ja uusiutuvan energian tuottamiseen?

Puolijohteet ovat herättäneet huomiota monitoimisten ominaisuuksiensa vuoksi, erityisesti ympäristön puhdistamiseen ja uusiutuvan energian tuotantoon liittyvissä sovelluksissa. Näiden sovellusten tehokkuus on suoraan yhteydessä siihen, kuinka hyvin puolijohteiden fotogeenisesti syntyvät varaukset, erityisesti elektronit, erottuvat johtajuuskaistalta (conduction band) valenssikaistalle (valence band). Ympäristön puhdistaminen ja uusiutuvan energian tuottaminen, kuten aurinkokennojen, polttokennojen ja vihreän vedyn tuotanto, riippuvat rakennevikojen, hapen tyhjentymien ja dopingaineiden läsnäolosta puolijohteiden rakenteissa. Tällaisilla ominaisuuksilla varustettuja puolijohteita on tutkittu monissa tutkimuslaitoksissa ympäri maailmaa.

Heterogeeniset katalyytit, joita käytetään saasteiden fotodegradointiin tai veden käsittelyyn, ovat suoraan riippuvaisia reaktiivisten happiradikaalien (ROS) kuten hydroksyyliradikaalin (*OH), hydroperoksyliradikaalin (*HO2) ja superoksidiradikaalin (*O2') muodostumisesta. ROS-muodostusprosessiin tarvitaan valoa, joko keinotekoista tai auringonvaloa, puolijohteen aktivoimiseksi fotokatalyyttisessa reaktiossa. Ihanteellinen tilanne olisi hyödyntää auringonvaloa tällaisissa sovelluksissa, kuten vihreän vedyn tuotannossa, koska auringonvalo on äärettömän saatavilla oleva ja ilmainen energianlähde.

Tavoitteen saavuttamiseksi puolijohteiden suunnittelu ja insinöörityö voivat keskittyä hyvin suunniteltuihin elektronirakenteisiin, joiden kaistavälin arvot ovat yhteensopivia näkyvän valon alueiden kanssa. Tämä mahdollistaisi valon paremman hyödyntämisen järjestelmässä. ROS-muodostus edellyttää, että fotokatalyytit tarjoavat fotoneja, joiden energia on yhtä suuri tai suurempi kuin kaistaväli, mikä johtaa johtajuuskaistalla (CB) elektronien (e'cb) ja valenssikaistalla (VB) aukkojen (h•vb) muodostumiseen. Tämä elektronien siirtyminen valenssikaistalta johtaa siihen, että valenssikaista menettää elektroneja ja neutraloituu vedyn molekyylin avulla, joka on puolijohteen pinnalla. Tämä molekyylin hajoaminen johtaa hydroksyyliradikaalin (*OH) ja protonin muodostumiseen. Tämä protoni reagoi superoksidiradikaalin (O2') kanssa muodostaen O2H-radikaalin. Nämä kaksi voimakkaasti hapettavaa radikaalia, OH ja O2H, ovat reaktiivisia happiradikaaleja (ROS), jotka hajoittavat orgaanista ainetta ja muodostavat hiilidioksidia (CO2) ja vettä (H2O).

Tämän reaktiivisten happiradikaalien muodostumisen mekanismi ei ole yksinkertainen, kuten edellä kuvatut reaktiot (Eq. 2.1 – 2.8) osoittavat. Professorin Longon ryhmä (Centro de Desenvolvimento de Materiais Funcionais) on esittänyt uuden ehdotuksen mekanismista, jossa otetaan huomioon kaksi tekijää: (1) klusterien välinen vuorovaikutus ja (2) hapen tyhjentymien rooli puolijohteen pinnalla. Longon ehdottamassa mekanismissa kiteen morfologia, joka sisältää erilaisia kaistavälejä omaavia pintoja, riippuu rakenteen vioista ja hapen tai metallin tyhjentymistä. Nämä viat muuttavat puolijohteen kaistavälin arvoa ja luovat pintaklustereita, joilla on erilaisia varausmääriä. Tällöin nämä klusterit voivat vuorovaikuttaa reaktiivisen ympäristön kanssa luovuttamalla tai absorboimalla elektroneja. Esimerkiksi oksideissa hapen tyhjentymät voivat olla neutraaleja tai niissä voi olla +1 tai +2 varausmääriä metallista riippuen.

Hapen tyhjentymä, jossa on +1 varausmääriä, aiheuttaa viritetyn elektronin siirtymisen johtajuuskaistalta, mikä on olennaista hapen molekyylien hapettamiseksi ja *O2 radikaalin muodostamiseksi. Tämä elektronien siirtyminen johtajuuskaistalta luo uusia virityksiä valenssikaistan elektroneille ja johtaa vesimolekyylin hajoamiseen, mikä tuottaa hydroksyyliradikaaleja ja protonia. Tämän mekanismin mukaan De Oliveira et al. (2023) ovat osoittaneet, että SiO2-Ag-katalyytti voi tuottaa ROS-radikaaleja kuten *O2, *HO2 ja *OH, jotka syntyvät O2:sta ja H2O:sta puolijohteen pinnalla ja voivat tuhota SARS-CoV-2-viruksen rakenteen.

Nykyään puolijohteiden fotokatalyyttisista sovelluksista on olemassa laaja valikoima artikkeleita ja kirjoja, mutta on yleisesti tiedossa, että joidenkin tekijöiden täytyy täyttyä, jotta puolijohteilla olisi hyvät katalyyttiset ominaisuudet. Tällaisia tekijöitä ovat (1) energiakaistan väli, (2) kantajien liikkuvuus, (3) spesifinen pinta-ala ja (4) rakenteelliset viat. Näistä energiakaistan väli on yksi tärkeimmistä tekijöistä, sillä fotokatalyyttisen suorituskyvyn parantaminen riippuu kaistavälin asemasta. Kaistavälin kaventaminen puolijohteessa voi parantaa näkyvän valon imeytymistä, koska jotkin puolijohteet aktivoituvat vain UV-alueella korkean kaistavälin vuoksi. Erilaiset synteesimenetelmät ovat osoittautuneet tehokkaiksi työvälineiksi kaistavälin arvon pienentämiseksi. Esimerkiksi Hou et al. (2019) havaitsivat, että tiourea-molekyyliä voidaan käyttää vaihtoehtoisena synteesireittinä, joka johtaa pienempään kaistavälin arvoon BiOCl:ssä.

Synteettisesti tuotetut rakenteet, joissa tiourean määrää on lisätty, paransivat valon imeytymistä 400 nm:stä 700 nm:iin, mikä edistää fotonien parempaa keräämistä näkyvän valon alueella. Tällainen fotokatalyytti on osoittautunut erinomaiseksi fotokatalyyttisessa suorituskyvyssään, kuten RhB-väriaineen (99 %) ja tetrasykliini-antibiootin (99 %) fotodegradoinnissa 36 minuutissa. Vaikka olemme kuvailleet neljä tekijää, jotka vaikuttavat fotokatalyyttisiin ominaisuuksiin, nämä kaikki tekijät ovat yhteydessä toisiinsa. Esimerkiksi Hou et al. (2019) havaitsivat, että tiourean määrän lisääntyminen vaikutti myös kantajien liikkuvuuteen, pinta-alaan ja rakenteellisiin vikoihin, mikä johti paremman varauksien erottelun ja parantuneen katalyyttisen aktiivisuuden.

Miten heterojunktiot parantavat fotokatalyyttistä vetyntuotantoa ja veden puhdistusta?

Heterojunktiot, joissa yhdistyvät eri puolijohdemateriaalit, ovat saaneet viime vuosina huomiota tehokkuutensa vuoksi erityisesti fotokatalyyttisten prosessien, kuten vedyn tuotannon ja ympäristön puhdistuksen, optimoinnissa. Erityisesti CuWO4- ja TiO2-materiaalien yhdistelmät ovat osoittautuneet lupaaviksi fotokatalyytteiksi, joissa CuWO4 tarjoaa riittävät energiatasot hapetusreaktioon, kun taas TiO2 puolestaan edistää vetyperoksidin muodostumista ilman ulkoista jännitettä. Tällainen yhdistelmä voi tehokkaasti pilkkoa vesimolekyylejä ja tuottaa vetyä auringonvalon vaikutuksesta.

Erityisesti TiO2:n nanorodit, jotka on liitetty CuWO4-nanohiukkasiin, ovat osoittautuneet tehokkaiksi fotokatalyyteiksi, sillä ne luovat korkean liitospinnan, joka parantaa elektronin ja aukon siirtoa nanomateriaalien välillä. Tämä parantaa huomattavasti fotokatalyyttisten reaktioiden nopeutta ja tehokkuutta. Esimerkiksi fotokatalyyttisen vetyntuotannon CWT-3-näytteen optimointi osoittaa, kuinka erilaisten uhrausreagenssien, kuten glyserolin, käyttö voi vaikuttaa reaktion tehokkuuteen, ja kuinka auringonvalon käyttö parantaa reaktioiden tuloksia verrattuna keinotekoisiin valaistusolosuhteisiin.

Tähän liittyy myös p-n-junktion rakenteet, kuten CuO/ZnO heterojunktiot, joissa n-ZnO:n nanorodit on kiedottu ohueksi p-CuO-kerrokseksi. Tällaiset rakenteet voivat hyödyntää sähköistä kenttää, joka syntyy jännityserosta eri puolijohdemateriaalien välille, ja tämä edistää fotogeenisten elektronien ja reikien siirtoa liitospinnalla. Tämä sähköinen kenttä tehostaa fotokatalyyttisten reaktioiden tehokkuutta ja mahdollistaa parempaa energiatuotantoa vesijako-reaktioissa.

Nanostruktuurit, kuten yksisuuntaiset nanovärit ja nanolangat, ovat myös saavuttaneet suosiota, koska niiden elektroniset ominaisuudet mahdollistavat tehokkaan latausten siirron ja vähentävät sisäisiä resistansseja. Esimerkiksi Cu2S/ZnO -nanovärit, joissa ZnO:n nanopiikit on kerrostettu Cu2S-nanolangalle, ovat mahdollistaneet fotokatalyyttisten reaktioiden tehokkuuden parantamisen.

Tulevaisuudessa heterojunktioiden kehittäminen tarjoaa merkittäviä mahdollisuuksia uusiutuvan energian tuotannon ja ympäristön puhdistuksen alalla. Heterojunktioiden suunnittelu tulee keskittymään erityisesti rajapintateknologioihin ja materiaalin synteesiin, jotta voidaan saavuttaa parempi latausten kuljetus ja reaktiivisuus. Yksi tärkeimmistä haasteista on puolijohdeoksidien korkeaan varauksen rekombinaatioon liittyvät ongelmat, jotka rajoittavat niiden tehokkuutta. Heterojunktiot voivat tarjota ratkaisun tähän ongelmaan, sillä ne voivat optimoida auringonvalon hyödyntämistä ja parantaa fotokatalyyttisten prosessien suorituskykyä.

Fotokatalyyttisten materiaalien tulevaisuus ei rajoitu pelkästään vetyntuotantoon, vaan niiden sovelluksia voidaan laajentaa myös ympäristön puhdistukseen, kuten orgaanisten saasteiden hajottamiseen veden tai ilman kautta. Tämän mahdollistavat kehitetyt Z-skeman ja S-skeman mekanismit, jotka tukevat parantunutta fotokatalyyttistä suorituskykyä. Onkin tärkeää, että tutkimus keskittyy niin materiaalien synteesiin, rajapintojen optimointiin kuin uusien sovellusten kehittämiseen, jotka voivat edistää kestävämpää energian tuotantoa ja ympäristön suojelemista.

Miten parantaa puutarhan maata ja lisätä kasvien hyvinvointia?
Miten kasvattaa ja hoitaa eksoottisia hedelmiä: Opas eri lajikkeiden hoitoon ja viljelyyn
Miten hyödyntää injektiohaavoittuvuuksia verkkosovelluksissa ja miten suojautua niiltä