Niskowymiarowe materiały do konwersji i waloryzacji paliw słonecznych (SOLAR2VAL)

Celem projektu SOLAR2VAL jest racjonalne zaprojektowanie stabilnych i wysoce wydajnych nanomateriałów hybrydowych do heterogenicznych zastosowań katalitycznych, a mianowicie do zbierania/konwersji światła i katalizy, które zostaną wdrożone w urządzeniach typu proof-of-concept, które mogą produkować amoniak, etylen lub etanol, poprzez zgromadzenie multidyscyplinarnego i międzynarodowego zespołu chemików obliczeniowych i fizyków. Projekt badawczy koncentruje się na badaniu hybrydyzacji wybranych nanoobiektów (Nano Building Blocks, NBB) i ich montażu w kompaktowym urządzeniu. Kluczem do tego rozwoju jest kontrola interakcji i właściwości samoorganizacji NBB w nanoskali, w celu optymalizacji relacji struktura-właściwości-funkcja w zintegrowanych nanosystemach, w celu naśladowania doskonałości naturalnych struktur do konwersji światła i osiągnięcia dobrej wydajności i długoterminowej stabilności w rzeczywistych urządzeniach. Badane NBB to niskowymiarowe materiały oparte na węglu, takie jak węglowe kropki kwantowe, materiały dwuwymiarowe i nowy katalizator oparty na dwuwymiarowej strukturze metaloorganicznej, które są odpowiedzialne za absorpcję światła, jego konwersję w energię i transfer do centrum katalitycznego, w którym może zachodzić reakcja. Badanie skupi się na racjonalnym zaprojektowaniu procesu montażu małych, funkcjonalnych NBB poprzez podejście oddolne, prowadzące do zintegrowanych nanoarchitektur dla wysoce wydajnego zbierania/konwersji światła i katalizy. W ten sposób różne NBB zostaną połączone ze sobą w celu promowania procesów transferu ładunku (CT), które skutkują skutecznym gromadzeniem ładunków w centrum katalitycznym, aby móc przeprowadzić reakcję przekształcania azotu w amoniak i CO2 w etylen i etanol. W tym celu projekt opiera się na racjonalnym projektowaniu komponentów NBB nanohybryd za pomocą wieloskalowego modelowania obliczeniowego. Główne wysiłki zostaną poświęcone zidentyfikowaniu paradygmatów projektowania materiałów, które mogą zapewnić ograniczoną rekombinację ładunków/ekscytonów na nanointerfejsach, a jednocześnie usprawnić procesy CT dla bieżącej generacji, z ostatecznym celem zwiększenia wydajności procesu katalitycznego. Sposób, w jaki poszczególne NBB wchodzą ze sobą w interakcję, ma zatem kluczowe znaczenie dla zapewnienia realizacji działających urządzeń, wymagając dogłębnej wiedzy na temat chemicznej i fizycznej natury interfejsu. W hybrydzie rozważone zostaną różne poziomy dostrajania struktury w celu zwiększenia generowania fotoprądu i powiązania morfologii interfejsu z jego funkcją: stosunek gęstości między komponentami, względna odległość, orientacja i położenie to kluczowe aspekty, które zostaną wzięte pod uwagę. W SOLAR2VAL wykorzystamy wieloskalowe podejścia obliczeniowe do opisu chemicznych i fizycznych właściwości interfejsów. Zostanie to ocenione z uwzględnieniem różnych podejść obliczeniowych w celu prawidłowego opisania procesu absorpcji światła przez NBB i /CT na interfejsie. Ponadto będzie to ważne dla opisu cyklu katalitycznego w celu uzyskania pożądanych produktów. W szczególności, ewolucja interfejsu w czasie będzie modelowana za pomocą klasycznej metody dynamiki molekularnej, która polega na uwzględnieniu atomów związanych ze sobą w sposób sprężynowy, bez wyraźnego uwzględniania sił przyciągania elektronowego. Pozwala to na rozważenie realistycznych układów modelowych (tysiące atomów) i fizycznie znaczących skal czasowych (setki nanosekund) w celu zbadania ewolucji czasowej interakcji i stabilności różnych interfejsów. Następnie skupimy się na dokładnych metodach, które wyraźnie uwzględniają elektrony, aby opisać i zrozumieć mechanizmy transferu elektronów i ładunków występujące na interfejsie oraz zoptymalizować je, eliminując rekombinację ładunków. Wreszcie, ta sama metodologia zostanie wykorzystana do zbadania cyklu katalitycznego, w celu zrozumienia mechanizmu reakcji i odkrycia kluczowej ścieżki reakcji, która doprowadzi do powstania pożądanych produktów z wysoką selektywnością i wydajnością. SOLAR2VAL opracuje zestaw technik nanostrukturyzacji, z naciskiem na dostarczenie innowacyjnych protokołów racjonalnego projektowania nanohybryd, od syntezy po przetwarzanie, przydatnych dla całej społeczności badawczej. Projekt będzie realizował unikalną kombinację najnowocześniejszych materiałów, aby stworzyć wysoce innowacyjne platformy dla technologii optoelektronicznych i katalitycznych. Cele projektu charakteryzują się znacznym ryzykiem, biorąc pod uwagę niezwykły poziom nowości, który w jednym projekcie łączy modelowanie różnych wymiarów w celu uzyskania złożonych architektur nanohybrydowych opartych na materiałach niskowymiarowych, a także testowanie ich funkcjonalności. Ten projekt badawczo-innowacyjny jest w zasięgu ręki, ponieważ zasieje ziarno nowej, przełomowej i taniej technologii hybrydowej, stymulując przyszłe wdrażanie nowych zasobów technologicznych i ekonomicznych w naszych przyszłych społeczeństwach.