Nowa metoda syntezy wspomaganej mikrofalami znacznie zwiększa wydajność wcześniej opisanego fotokatalizatora polimeru koordynacyjnego.
Przekształcanie dwutlenku węgla (CO₂) w cenne substancje chemiczne stanowi ekscytującą strategię redukcji emisji CO₂ i łagodzenia zmian klimatycznych. Projektowanie fotokatalizatorów wykorzystujących energię świetlną w celu ułatwienia konwersji CO₂ jest kluczowym celem w dziedzinie nauki o materiałach funkcjonalnych.
Chociaż istnieją różne typy fotokatalizatorów, szczególnie atrakcyjną opcją są polimery koordynacyjne (CP). Te heterogeniczne materiały mogą łączyć funkcje absorpcji światła i CO2 jednocześnie katalizatory redukcyjne. Co więcej, CP można syntetyzować z metali bogatych w ziemię i cząsteczek organicznych, co czyni je szeroko stosowanymi na poziomie przemysłowym.
W sierpniu 2022 r. profesor Kazuhiko Maeda i współpracownicy z Instytutu Nauki w Tokio w Japonii ogłosili niezawierający metali szlachetnych CP o nazwie KGF-9, który służył jako samodzielny fotokatalizator do konwersji CO2 sformatować. Chociaż KGF-9 był wysoce selektywny, jego aktywność fotokatalityczna była raczej niska, o czym świadczy niska pozorna wydajność kwantowa (AQY). Teraz, w nowszym badaniu opublikowanym w Zaawansowane materiały funkcjonalne 13 listopada 2024 r. Maeda i jego zespół zdołali znacznie poprawić wydajność KGF-9 dzięki alternatywnemu podejściu do syntezy, podkreślając jego wcześniej niewykorzystany potencjał.
Przełom w syntezie wspomaganej mikrofalami
Omawianym podejściem była metoda solwotermiczna wspomagana mikrofalami, która polega na ogrzewaniu roztworu w zamkniętym naczyniu za pomocą mikrofal. „Ogrzewanie objętościowe za pomocą mikrofal może bezpośrednio i równomiernie ogrzać całą mieszaninę reakcyjną, powodując rotacje molekularne, które skutkują drastycznym wzrostem szybkości reakcji” – zauważa Maeda. Oprócz przyspieszenia produkcji KGF-9 z dwóch pełnych dni do zaledwie godziny, ta droga syntezy miała inne ważne skutki.
Po dokładnym przetestowaniu wytworzonych próbek naukowcy zauważyli, że metoda wspomagana mikrofalami pozwoliła uzyskać cienkie fibryle KGF-9 o znacznie większej powierzchni właściwej i krystaliczności niż poprzednia metoda syntezy. Późniejsze eksperymenty fotokatalityczne wykazały, że te ulepszenia doprowadziły do ogromnego wzrostu AQY dla CO2-do-konwersji do formatu. Aby przełożyć to na liczby, AQY nowo zsyntetyzowanego KGF-9 wyniósł 25%, co stanowi prawie dziesięciokrotny wzrost w porównaniu z wcześniej odnotowaną wartością 2,6%. „Ten AQY stanowi rekordowo wysoką wartość wśród zgłoszonych heterogenicznych fotokatalizatorów dla CO2konwersję do mrówczanu i jest nawet porównywalny z AQY odnotowanym dla homogenicznych fotokatalizatorów” – zauważa Maeda.
Zrozumienie mechanizmów stojących za ulepszeniami
Zespół badawczy przeprowadził następnie badania mechanistyczne, aby zrozumieć pochodzenie zaobserwowanej poprawy poziomu CO2-do-konwersji do formatu. Po dokładnej analizie doszli do wniosku, że decydującym czynnikiem było wyprodukowanie dobrze skrystalizowanego KGF-9 z niewielką liczbą defektów powierzchniowych. Co ciekawe, łącząc KGF-9 z przewodnikiem węglowym, odkryli, że związek ten sprawdza się również w elektrokatalitycznej redukcji CO2który wykorzystuje energię elektryczną w ośrodku wodnym zamiast światła do napędzania konwersji CO2 sformatować.
Podsumowując, wyniki tego badania rysują świetlaną przyszłość dla KGF-9 i podobnych fotokatalizatorów, które mogą wkrótce stać się kluczem w naszych wysiłkach na rzecz zrównoważonych społeczeństw. Przy odrobinie szczęścia te niedrogie i wszechstronne materiały pomogą nam osiągnąć neutralność pod względem emisji dwutlenku węgla i zapobiec dalszym szkodom w naszych ekosystemach.
Odniesienie: „Włóknisty polimer koordynacyjny na bazie Pb(II) działający jako fotokatalizator i elektrokatalizator do szybkiej, selektywnej konwersji CO2 do mrówczanu” autorstwa Chomponoot Suppaso, Ryosuke Nakazato, Shoko Nakahata, Yoshinobu Kamakura, Fumitaka Ishiwari, Akinori Saeki, Daisuke Tanaka, Kazuhide Kamiya i Kazuhiko Maeda, 13 listopada 2024 r., Zaawansowane materiały funkcjonalne.
DOI: 10.1002/adfm.202417223
Badanie zostało sfinansowane przez Japońską Agencję Nauki i Technologii, Japońskie Towarzystwo Promocji Nauki i Japońskie Stowarzyszenie Innowacji Chemicznych.
