Newswise – Rosnące zapotrzebowanie na paliwa węglowe, napędzające gospodarkę, stale zwiększa ilość dwutlenku węgla (CO2) w powietrzu. Chociaż podejmowane są wysiłki mające na celu redukcję emisji CO2, nie łagodzą one szkodliwego wpływu tego gazu, który już znajduje się w atmosferze. Dlatego naukowcy opracowali kreatywne sposoby wykorzystania atmosferycznego CO2 poprzez przekształcenie go w cenne substancje, takie jak kwas mrówkowy (HCOOH) i metanol. Fotoredukcja CO2 z wykorzystaniem fotokatalizatorów wykorzystujących światło widzialne jako katalizator jest popularną metodą tego typu konwersji.
W najnowszym przełomie, ujawnionym w międzynarodowym wydaniu czasopisma „Angewandte Chemie” z 8 maja 2023 roku, profesor Kazuhiko Maeda i jego zespół badawczy z Instytutu Technologii w Tokio poczynili znaczące postępy. Z powodzeniem opracowali metaloorganiczny szkielet molekularny (MOF) z cyny (Sn), który wspomaga selektywną fotoredukcję CO2. Niedawno wprowadzony MOF otrzymał nazwę KGF-10, a jego wzór chemiczny to [SnII2(H3ttc)2·MeOH]n (H3ttc: kwas tritiocyjanurowy, MeOH: metanol). Wykorzystując światło widzialne, KGF-10 skutecznie przekształca CO2 w kwas mrówkowy (HCOOH). Profesor Maeda wyjaśnił: „Do tej pory opracowano wiele wysoce wydajnych fotokatalizatorów do redukcji CO2 opartych na metalach rzadkich i szlachetnych. Jednak zintegrowanie funkcji pochłaniania światła i katalitycznych w jedną jednostkę molekularną złożoną z dużej liczby metali pozostaje wyzwaniem”. „Sn okazał się zatem idealnym kandydatem do pokonania tych dwóch przeszkód”.
Materiały MOF, łączące zalety metali i materiałów organicznych, są badane jako bardziej ekologiczna alternatywa dla tradycyjnych fotokatalizatorów opartych na metalach ziem rzadkich. Sn, znana ze swojej podwójnej roli katalizatora i absorbera światła w procesach fotokatalizatorów, może potencjalnie stanowić realną alternatywę dla fotokatalizatorów opartych na MOF. Chociaż materiały MOF składające się z cyrkonu, żelaza i ołowiu były szeroko badane, wiedza na temat materiałów MOF na bazie Sn jest nadal ograniczona. Konieczne są dalsze badania i analizy, aby w pełni zbadać możliwości i potencjalne zastosowania materiałów MOF na bazie Sn w dziedzinie fotokatalizy.
Do syntezy MOF na bazie cyny KGF-10, naukowcy wykorzystali H3ttc (kwas tritiocyjanurowy), MeOH (metanol) i chlorek cyny jako składniki wyjściowe. Wybrali 1,3-dimetylo-2-fenylo-2,3-dihydro-1H-benzo[d]imidazol jako donor elektronów i źródło wodoru. Po syntezie, otrzymany KGF-10 poddano różnym metodom analitycznym. Testy te wykazały, że materiał charakteryzuje się umiarkowaną zdolnością adsorpcji CO2 z przerwą pasmową 2,5 eV i skuteczną absorpcją w zakresie widzialnym.
Uzbrojeni w wiedzę o właściwościach fizycznych i chemicznych nowego materiału, naukowcy wykorzystali go do katalizowania redukcji dwutlenku węgla światłem widzialnym. Co istotne, naukowcy odkryli, że KGF-10 umożliwia konwersję CO2 do mrówczanu (HCOO-) z selektywnością sięgającą 99% bez konieczności stosowania dodatkowego fotosensybilizatora ani katalizatora. Ponadto, KGF-10 wykazał bezprecedensowo wysoką pozorną wydajność kwantową – miarę efektywności wykorzystania fotonów – sięgającą 9,8% przy długości fali 400 nm. Co istotne, analiza strukturalna przeprowadzona podczas reakcji fotokatalitycznej wykazała, że ​​KGF-10 ulega modyfikacji strukturalnej, wspomagającej proces redukcji.
Te przełomowe badania prezentują wysokowydajny fotokatalizator na bazie cyny KGF-10, który nie wymaga użycia metali szlachetnych jako katalizatora jednokierunkowego do redukcji CO2 do mrówczanu światłem widzialnym. Niezwykłe właściwości KGF-10 zademonstrowane w tym badaniu mogą zrewolucjonizować jego zastosowanie jako fotokatalizatora w wielu zastosowaniach, w tym w redukcji CO2 za pomocą energii słonecznej. Prof. Maeda podsumowuje: „Nasze wyniki wskazują, że MOF-y mogą służyć jako platforma do rozwoju lepszych możliwości fotokatalitycznych poprzez wykorzystanie nietoksycznych, ekonomicznych i powszechnie występujących na Ziemi metali, które często są molekularnymi kompleksami metali. Nieosiągalne”. To odkrycie otwiera nowe możliwości w dziedzinie fotokatalizy i toruje drogę do zrównoważonego i efektywnego wykorzystania zasobów Ziemi.
Newswise zapewnia dziennikarzom dostęp do najświeższych wiadomości, a także stanowi platformę, na której uniwersytety, instytucje i dziennikarze mogą przekazywać najświeższe informacje swoim odbiorcom.