Newswise – Den växande efterfrågan på kolbaserade bränslen för att driva ekonomin fortsätter att öka mängden koldioxid (CO2) i luften. Även om ansträngningar görs för att minska CO2-utsläppen mildrar detta inte de skadliga effekterna av gasen som redan finns i atmosfären. Så forskare har kommit på kreativa sätt att använda atmosfärisk CO2 genom att omvandla den till värdefulla ämnen som myrsyra (HCOOH) och metanol. Fotoreduktion av CO2 med hjälp av fotokatalysatorer som använder synligt ljus som katalysator är en populär metod för sådana omvandlingar.
I det senaste genombrottet, som avslöjades i den internationella utgåvan av Angewandte Chemie den 8 maj 2023, har professor Kazuhiko Maeda och hans forskargrupp vid Tokyo Institute of Technology gjort betydande framsteg. De har framgångsrikt utvecklat ett tenn (Sn) metallorganiskt ramverk (MOF) som främjar selektiv fotoreduktion av CO2. Den nyligen introducerade MOF:n fick namnet KGF-10 och dess kemiska formel är [SnII2(H3ttc)2.MeOH]n (H3ttc: tritiocyanursyra, MeOH: metanol). Med hjälp av synligt ljus omvandlar KGF-10 effektivt CO2 till myrsyra (HCOOH). Professor Maeda förklarade: "Hittills har många mycket effektiva fotokatalysatorer för CO2-reduktion baserade på sällsynta och ädelmetaller utvecklats. Att integrera ljusabsorberande och katalytiska funktioner i en enda molekylär enhet bestående av ett stort antal metaller är dock fortfarande en utmaning." Sn visade sig således vara en idealisk kandidat för att övervinna dessa två hinder.
MOF:er, som kombinerar fördelarna med metaller och organiska material, utforskas som ett grönare alternativ till traditionella fotokatalysatorer baserade på sällsynta jordartsmetaller. Sn, känt för sin dubbla roll som katalysator och ljusabsorbent i fotokatalysatorprocesser, skulle potentiellt kunna vara ett gångbart alternativ för MOF-baserade fotokatalysatorer. Även om MOF:er bestående av zirkonium, järn och bly har studerats ingående, är förståelsen av Sn-baserade MOF:er fortfarande begränsad. Ytterligare studier behövs för att fullt ut utforska möjligheterna och de potentiella tillämpningarna av Sn-baserade MOF:er inom fotokatalysområdet.
För att syntetisera tennbaserad MOF KGF-10 använde forskarna H3ttc (tritiocyanursyra), MeOH (metanol) och tennklorid som utgångskomponenter. De valde 1,3-dimetyl-2-fenyl-2,3-dihydro-1H-benso[d]imidazol som elektrondonator och vätekälla. Efter syntesen utsattes den erhållna KGF-10 för olika analytiska metoder. Dessa tester visade att materialet har en måttlig CO2-adsorptionskapacitet med ett bandgap på 2,5 eV och effektiv absorption i det synliga våglängdsområdet.
Beväpnade med kunskap om de fysikaliska och kemiska egenskaperna hos det nya materialet använde forskarna det för att katalysera reduktionen av koldioxid med synligt ljus. Forskarna fann att KGF-10 uppnår omvandling av CO2 till formiat (HCOO-) med upp till 99 % selektivitet utan någon hjälpfotosensibiliseringsmedel eller katalysator. Dessutom uppvisade KGF-10 ett oöverträffat högt skenbart kvantutbyte – ett mått på effektiviteten av att använda fotoner – som nådde ett värde på 9,8 % vid 400 nm. Strukturanalys som utfördes under den fotokatalytiska reaktionen visade att KGF-10 genomgår en strukturell modifiering för att underlätta reduktionsprocessen.
Denna banbrytande forskning presenterar en högpresterande tennbaserad fotokatalysator, KGF-10, utan behov av ädelmetaller som envägskatalysator för reduktion av CO2 till formiat med hjälp av synligt ljus. De anmärkningsvärda egenskaperna hos KGF-10 som demonstrerats i denna studie skulle kunna revolutionera dess användning som fotokatalysator i en mängd olika tillämpningar, inklusive reduktion av CO2 i solen. Professor Maeda avslutar: ”Våra resultat indikerar att MOF:er kan fungera som en plattform för att utveckla överlägsna fotokatalytiska förmågor genom användning av giftfria, kostnadseffektiva och rikligt förekommande metaller som finns på jorden, vilka ofta är molekylära metallkomplex. Ouppnåeliga.” Denna upptäckt öppnar upp nya möjligheter och horisonter inom fotokatalysområdet och banar väg för en hållbar och effektiv användning av jordens resurser.
Newswise ger journalister tillgång till nyheter och en plattform för universitet, institutioner och journalister att distribuera nyheter till sin publik.