Новости химической науки > В чем связь между синими джинсами и солнечными панелями?

Химики из Университета Корнелла разработали простой процесс, позволяющий получить органические каркасные структуры из соединений, обычно входящих в состав синей краски для шариковых ручек или для джинсовой ткани. Новый каркасный материал может оказаться полезным для разработки дешевых, гибких и многоцелевых солнечных панелей.

Фрагмент спектров ПМР реакционной смеси до введения эфирата трехфтористого бора и через 18 часов после его введения в реакционную смесь. ЯМР спектроскопия подтверждает полную конверсию фенилбороновой кислоты. (Рисунок из Nature Chemistry, 2010; DOI: 10.1038/nchem.695)

Современные панели для солнечных батарей из кремния эффективны, однако они обладают значительной стоимостью и не всегда могут применяться для систем, в которых необходима небольшая по размеру солнечная батарея.

В поиске альтернативных решений в группе Уильяма Дичтела (William Dichtel) была использована стратегия, основанная на самоорганизации молекул органических красителей в надмолекулярные структуры, известные как ковалентные органические каркасные структуры[covalent organic framework (COF)]. Исследователи давно предполагали, что органические соединения потенциально могут выступать в роли тонких, гибких и дешевых фотогальванических устройств, однако трудности возникали сложности при организации молекул, образующих такие системы, в структуры, высокая упорядоченность которых должна приводить к значительному увеличению производительности устройства, полученного из COF.

Дичтел отмечает, что в его группе разработан принципиально новый подход, который может быть применен для получения многих материалов такого класса. Метод основан на применении простого кислотного катализатора и относительно устойчивых органических молекул, защищенных катехолов для получения высокоупорядоченной двумерной кристаллической решетки. Двумерные решетки, располагаются упорядоченными слоями и образуют кристаллическую решетку, через которую могут перемещаться носители заряда.

Реакция обратима, что позволяет исправить ошибки, возникающие в процессе самоорганизации, такая возможность появляется благодаря тому, что «правильная» структура отличается большей термодинамической стабильностью, чем другие, которые могут образоваться в процессе, и, поэтому, к окончанию реакции она остается доминирующей. В результате образуется структура с большой площадью поверхности, характеризующаяся предсказуемым молекулярным порядком упаковки.

Для подтверждения строения полученной системы, измерения площади ее поверхности и определения размеров пор исследователи применяли дифракцию рентгеновских лучей.

Сердцем каркасной системы являются молекулы-фталоцианины, класс распространенных промышленных красителей, которые применяются в как в производстве синих чернил для ручек, так и синего пигмента для джинсовой ткани. Структура фталоцианинов близка структуре хлорофилла, соединения, которое используется растениями для поглощения света в ходе фотосинтеза. Фталоцианины поглощают любой свет в видимой области – это свойство необычно для материалов, состоящих из молекул органических соединений одного типа.

Само по себе полученное в группе Дичтела каркасное соединение еще не может использоваться в устройстве для конверсии энергии солнечного света в электрическую – это модель, которая может существенно расширить перечень материалов, которые могут быть использованы в качестве COF. Дичтел заявляет, что исследователи планируют использовать особенности строения полученной каркасной структуры для изучения фундаментальных вопросов о перемещении электронов по материалу, состоящему из органических молекул.

После окончания самосборки каркасной системы ее поры могут быть заполнены другими органическими соединениями, что может привести к образованию легкой, гибкой, эффективной и простой в получении солнечной ячейке. Дичтел заявляет, что следующий этап исследования будет заключаться в попытке заполнить поры подходящими по размеру и форме органическими молекулами.

Источник Nature Chemistry, 2010; DOI: 10.1038/nchem.695

метки статьи: #органическая химия, #физическая химия, #химическая технология, #химия поверхности, #химия полимеров