Dosavadní poznatky o struktuře i vlastnostech uhlíkových teček (CDs) a jejich využití ve fotokatalýze shrnuje přehledový článek Designing carbon dots for enhanced photo-catalysis: Challenges and opportunities, který publikoval časopis Chem. Autoři z VŠB-TUO, CATRIN Univerzity Palackého a Univerzity Friedricha Alexandera v německém Erlangenu v něm mimo jiné identifikovali klíčové vlastnosti, které je třeba zohlednit při návrhu fotokatalyticky účinných uhlíkových teček. Shrnuli také experimentální i teoretické metody vhodné pro studium strukturálně složitých CDs.
Uhlíkové tečky (CDs) jsou nanomateriály se specifickými optickými a elektronickými vlastnostmi, které je činí zajímavými pro různé aplikace včetně lékařské diagnostiky, protinádorové terapie, vývoje LED diod a optoelekronických senzorů. Autoři článku se zaměřili na jejich přínosy v oblasti fotokatalýzy, kde ve výzkumu došlo v posledních letech k výraznému posunu a tyto ultramalé nekovové nanomateriály dokáží konkurovat klasický polovodičovým materiálům na bázi kovů.
„Aplikace uhlíkových teček se dnes posouvají a otevřely se nové možnosti pro jejich využití zejména v oblasti fotokatalytické výroby vodíku, peroxidu vodíku nebo fotoredukce oxidu uhličitého. Klíčovým přínosem článku je hlubší porozumění vztahu mezi strukturou a aktivitou uhlíkových teček a vývoj metod pro přesné přizpůsobení těchto struktur, což může vést k vyšší efektivitě přeměny energie a udržitelnějším postupům její výroby. Článek také zdůrazňuje význam pokročilých experimentálních a teoretických metod, včetně strojového učení, pro další zlepšení fotokatalytických vlastností uhlíkových teček a zavedení cirkulárních systémů, které podporují udržitelnost a efektivitu recyklace materiálů,“ uvedl první autor článku Lukáš Zdražil.
Čeští vědci na tématu spolupracovali s kolegy z Německa, v autorském týmu nechybí ani přední světový odborník Dirk M. Guldi, jenž v současné době působí jako profesor na Univerzitě Friedricha Alexandera v Erlangenu a zaměřuje se zejména na vývoj materiálů na bázi uhlíku, jako jsou fullereny a uhlíkové tečky, které jsou využitelné pro přeměnu slunečního záření na užitečné formy energie. Právě v jeho týmu Lukáš Zdražil absolvoval stáž v rámci postdoktorálního studia. „Článek je jedním z výstupů navázané spolupráce. Jedná se o první vlaštovku, i nadále spolupracujeme v oblasti experimentálního popisu optických vlastností uhlíkových teček,“ uvedl Zdražil, který působí v Centru nanotechnologií CEET na VŠB-TUO i CATRIN Univerzity Palackého.
Podle vědců nicméně zůstává pochopení fotokatalytické aktivity uhlíkových teček a vývoj účinných a přesně zacílených struktur velkou vědeckou výzvou. „Překonání těchto překážek je klíčové pro pokrok směrem k zelené a udržitelné výrobě energie s využitím materiálů, které jsou levné, škálovatelné a šetrné k životnímu prostředí. Uhlíkové tečky dnes již dokáží svými optickými a elektronickými vlastnostmi konkurovat klasickým polovodičům na bázi kovů, což je nesmírně zajímavé pro komerční aplikace,“ doplnil jeden z korespondujících autorů Radek Zbořil.
Vědci také dlouhodobě těží z propojení experimentů s teoretickými výpočty. „Modelování vlastností uhlíkových teček představuje velmi obtížný úkol kvůli jejich komplikované a nejasné struktuře. Přesto výsledky z výpočetních modelů přináší cenné pochopení, jak fyzikálně-chemické procesy uvnitř teček fungují. Vědci dnes mohou díky pokročilé výpočetní technice propojovat výsledky z náročných molekulových dynamik, kvantově chemických výpočtů a analýz pomocí umělé inteligence s experimentálními daty, což výrazně urychluje vývoj nových katalyticky aktivních uhlíkových teček,“ dodal Michal Otyepka z národního superpočítačového centra IT4Innovations při VŠB-TUO a CATRIN Univerzity Palackého.
Odborný článek
Designing carbon dots for enhanced photo-catalysis: Challenges and opportunities
https://doi.org/10.1016/j.chempr.2024.07.018