Newswise – Rastúci dopyt po palivách na báze uhlíka na podporu hospodárstva naďalej zvyšuje množstvo oxidu uhličitého (CO2) vo vzduchu. Hoci sa vynakladá úsilie na zníženie emisií CO2, nezmierňuje to škodlivé účinky plynu, ktorý je už v atmosfére. Výskumníci preto prišli s kreatívnymi spôsobmi, ako využiť atmosférický CO2 jeho premenou na cenné látky, ako je kyselina mravčia (HCOOH) a metanol. Fotoredukcia CO2 pomocou fotokatalyzátorov využívajúcich viditeľné svetlo ako katalyzátor je obľúbenou metódou pre takéto premeny.
V najnovšom prelome, ktorý bol zverejnený v medzinárodnom vydaní časopisu Angewandte Chemie z 8. mája 2023, dosiahli profesor Kazuhiko Maeda a jeho výskumný tím na Tokijskom technologickom inštitúte významný pokrok. Úspešne vyvinuli cínovo-organickú štruktúru (MOF) na báze cínu (Sn), ktorá podporuje selektívnu fotoredukciu CO2. Nedávno predstavený MOF bol pomenovaný KGF-10 a jeho chemický vzorec je [SnII2(H3ttc)2.MeOH]n (H3ttc: kyselina tritiokyanurová, MeOH: metanol). Pomocou viditeľného svetla KGF-10 účinne premieňa CO2 na kyselinu mravčiu (HCOOH). Profesor Maeda vysvetlil: „Doteraz bolo vyvinutých mnoho vysoko účinných fotokatalyzátorov na redukciu CO2 na báze vzácnych a ušľachtilých kovov. Integrácia funkcií absorbujúcich svetlo a katalytických funkcií do jednej molekulárnej jednotky zloženej z veľkého počtu kovov však zostáva výzvou.“ Sn sa preto ukázal ako ideálny kandidát na prekonanie týchto dvoch prekážok.
MOF, ktoré kombinujú výhody kovov a organických materiálov, sa skúmajú ako ekologickejšia alternatíva k tradičným fotokatalyzátorom na báze kovov vzácnych zemín. Sn, známy svojou dvojitou úlohou katalyzátora a absorbéra svetla vo fotokatalytických procesoch, by mohol byť potenciálne schodnou možnosťou pre fotokatalyzátory na báze MOF. Hoci MOF zložené zo zirkónia, železa a olova boli rozsiahlo študované, pochopenie MOF na báze Sn je stále obmedzené. Na úplné preskúmanie možností a potenciálnych aplikácií MOF na báze Sn v oblasti fotokatalýzy sú potrebné ďalšie štúdie.
Na syntézu MOF KGF-10 na báze cínu výskumníci použili ako východiskové zložky H3ttc (kyselinu tritiokyanurovú), MeOH (metanol) a chlorid cínatý. Ako donor elektrónov a zdroj vodíka zvolili 1,3-dimetyl-2-fenyl-2,3-dihydro-1H-benzo[d]imidazol. Po syntéze bol získaný KGF-10 podrobený rôznym analytickým metódam. Tieto testy ukázali, že materiál má strednú adsorpčnú kapacitu CO2 s pásmovou medzerou 2,5 eV a účinnú absorpciu vo viditeľnom rozsahu vlnových dĺžok.
Vedci, vyzbrojení znalosťami fyzikálnych a chemických vlastností nového materiálu, ho použili na katalýzu redukcie oxidu uhličitého viditeľným svetlom. Výskumníci zistili, že KGF-10 dosahuje konverziu CO2 na formiát (HCOO-) s až 99 % selektivitou bez akéhokoľvek pomocného fotosenzibilizátora alebo katalyzátora. Okrem toho KGF-10 preukázal bezprecedentne vysoký zdanlivý kvantový výťažok – mieru účinnosti využitia fotónov – dosahujúci hodnotu 9,8 % pri 400 nm. Štrukturálna analýza vykonaná počas fotokatalytickej reakcie ukázala, že KGF-10 prechádza štrukturálnou modifikáciou, ktorá napomáha procesu redukcie.
Tento prelomový výskum predstavuje vysoko výkonný fotokatalyzátor na báze cínu KGF-10, ktorý nevyžaduje použitie ušľachtilých kovov ako jednosmerného katalyzátora na redukciu CO2 na formiát viditeľným svetlom. Pozoruhodné vlastnosti KGF-10 preukázané v tejto štúdii by mohli spôsobiť revolúciu v jeho použití ako fotokatalyzátora v rôznych aplikáciách vrátane redukcie CO2 slnečným žiarením. Profesor Maeda uzatvára: „Naše výsledky naznačujú, že MOF môžu slúžiť ako platforma pre vývoj vynikajúcich fotokatalytických schopností s využitím netoxických, nákladovo efektívnych a hojných kovov nachádzajúcich sa na Zemi, ktorými sú často molekulárne kovové komplexy. Nedosiahnuteľné.“ Tento objav otvára nové možnosti, nové horizonty v oblasti fotokatalýzy a pripravuje cestu pre udržateľné a efektívne využívanie zdrojov Zeme.
Newswise poskytuje novinárom prístup k najnovším správam a platformu pre univerzity, inštitúcie a novinárov na šírenie najnovších správ svojmu publiku.