Ученые создали «молекулярную плотину» для повышения эффективности световых реакций

Международная команда ученых разработала метод, который замедляет утечку энергии в нанокристаллах — проблему, мешавшую их использованию в световых химических и энергетических приложениях.

Как сообщается в статье, опубликованной в журнале Chem, исследователи использовали молекулу, которая прочно связывается с поверхностью нанокристалла, действуя как «плотина», удерживающая энергию, накопленную в состоянии разделения зарядов после поглощения света. Этот метод продлевает время жизни разделения зарядов до рекордных значений для этих материалов.

Использование света для химических реакций

Фотокатализ — перспективная альтернатива традиционным промышленным реакциям, требующим высоких температур и давления. Полупроводниковые нанокристаллы могут захватывать энергию света и использовать ее для проведения химических реакций при комнатной температуре. Однако возникающие в них разделенные заряды (электрон и «дырка») быстро рекомбинируют, теряя энергию.

Создание молекулярной плотины

Чтобы решить эту проблему, команда создала «молекулярную плотину» на основе производного фенотиазина. Молекула имеет две ключевые особенности: карбоксилатную группу, которая прочно связывается с поверхностью нанокристалла, и структуру, быстро принимающую положительный заряд («дырку»).

При освещении закрепленная молекула отводит «дырку» от электрона, физически разделяя их. Это предотвращает быструю рекомбинацию и сохраняет энергию. В результате состояние разделения зарядов сохраняется в течение микросекунд — огромного времени в мире фотохимии.

«Когда я впервые увидела результаты — насколько эффективна наша «молекулярная плотина» в замедлении рекомбинации зарядов — я поняла, что мы нашли золотую жилу», — объяснила ведущий автор исследования доктор София Клик.

Это открытие может улучшить разработку катализаторов для световой химии, повысив эффективность захвата энергии. Технология может найти применение в создании химических продуктов и фармацевтических препаратов с помощью света вместо энергоемких процессов на ископаемом топливе.

Больше информации: Sophia M. Click et al, Exceptionally long-lived charge-separated states in CdS nanocrystals with a covalently bound phenothiazine derivative, Chem (2025). DOI: 10.1016/j.chempr.2025.102760