Νέα – Η αυξανόμενη ζήτηση για καύσιμα με βάση τον άνθρακα για την τροφοδότηση της οικονομίας συνεχίζει να αυξάνει την ποσότητα διοξειδίου του άνθρακα (CO2) στην ατμόσφαιρα. Ενώ καταβάλλονται προσπάθειες για τη μείωση των εκπομπών CO2, αυτό δεν μετριάζει τις βλαβερές συνέπειες του αερίου που υπάρχει ήδη στην ατμόσφαιρα. Έτσι, οι ερευνητές έχουν βρει δημιουργικούς τρόπους για να χρησιμοποιήσουν το ατμοσφαιρικό CO2 μετατρέποντάς το σε πολύτιμες ουσίες όπως το μυρμηκικό οξύ (HCOOH) και η μεθανόλη. Η φωτοαναγωγή του CO2 χρησιμοποιώντας φωτοκαταλύτες που χρησιμοποιούν το ορατό φως ως καταλύτη είναι μια δημοφιλής μέθοδος για τέτοιες μετατροπές.
Στην τελευταία ανακάλυψη, που αποκαλύφθηκε στην διεθνή έκδοση του Angewandte Chemie στις 8 Μαΐου 2023, ο καθηγητής Kazuhiko Maeda και η ερευνητική του ομάδα στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας του Τόκιο σημείωσαν σημαντική πρόοδο. Έχουν αναπτύξει με επιτυχία ένα μεταλλο-οργανικό πλαίσιο (MOF) κασσιτέρου (Sn) που προάγει την επιλεκτική φωτοαναγωγή του CO2. Το πρόσφατα εισαχθέν MOF ονομάστηκε KGF-10 και ο χημικός του τύπος είναι [SnII2(H3ttc)2.MeOH]n (H3ttc: τριθειοκυανουρικό οξύ, MeOH: μεθανόλη). Χρησιμοποιώντας ορατό φως, το KGF-10 μετατρέπει αποτελεσματικά το CO2 σε μυρμηκικό οξύ (HCOOH). Ο καθηγητής Maeda εξήγησε: «Μέχρι σήμερα, έχουν αναπτυχθεί πολλοί εξαιρετικά αποτελεσματικοί φωτοκαταλύτες για τη μείωση του CO2 με βάση σπάνια και ευγενή μέταλλα. Ωστόσο, η ενσωμάτωση λειτουργιών απορρόφησης φωτός και καταλυτών σε μια ενιαία μοριακή μονάδα που αποτελείται από μεγάλο αριθμό μετάλλων παραμένει μια πρόκληση». Έτσι, το Sn αποδείχθηκε ιδανικός υποψήφιος για την υπέρβαση αυτών των δύο εμποδίων.
Τα MOF, τα οποία συνδυάζουν τα πλεονεκτήματα των μετάλλων και των οργανικών υλικών, διερευνώνται ως μια πιο πράσινη εναλλακτική λύση σε σχέση με τους παραδοσιακούς φωτοκαταλύτες που βασίζονται σε σπάνιες γαίες. Ο Sn, γνωστός για τον διπλό του ρόλο ως καταλύτης και απορροφητής φωτός στις φωτοκαταλυτικές διεργασίες, θα μπορούσε ενδεχομένως να αποτελέσει μια βιώσιμη επιλογή για τους φωτοκαταλύτες που βασίζονται σε MOF. Παρόλο που τα MOF που αποτελούνται από ζιρκόνιο, σίδηρο και μόλυβδο έχουν μελετηθεί εκτενώς, η κατανόηση των MOF με βάση το Sn εξακολουθεί να είναι περιορισμένη. Απαιτούνται περαιτέρω μελέτες και μελέτες για την πλήρη διερεύνηση των δυνατοτήτων και των πιθανών εφαρμογών των MOF με βάση το Sn στον τομέα της φωτοκατάλυσης.
Για τη σύνθεση του MOF KGF-10 με βάση τον κασσίτερο, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν H3ttc (τριθειοκυανουρικό οξύ), MeOH (μεθανόλη) και χλωριούχο κασσίτερο ως αρχικά συστατικά. Επέλεξαν την 1,3-διμεθυλο-2-φαινυλο-2,3-διυδρο-1H-βενζο[d]ιμιδαζόλη ως δότη ηλεκτρονίων και πηγή υδρογόνου. Μετά τη σύνθεση, το KGF-10 που λήφθηκε υποβλήθηκε σε διάφορες αναλυτικές μεθόδους. Αυτές οι δοκιμές έδειξαν ότι το υλικό έχει μέτρια ικανότητα προσρόφησης CO2 με ενεργειακό χάσμα 2,5 eV και αποτελεσματική απορρόφηση στο ορατό εύρος μήκους κύματος.
Οπλισμένοι με γνώση των φυσικών και χημικών ιδιοτήτων του νέου υλικού, οι επιστήμονες το χρησιμοποίησαν για να καταλύσουν την αναγωγή του διοξειδίου του άνθρακα μέσω του ορατού φωτός. Αξιοσημείωτο είναι ότι οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι το KGF-10 επιτυγχάνει μετατροπή CO2 σε φορμικό (HCOO-) με επιλεκτικότητα έως και 99% χωρίς κανένα βοηθητικό φωτοευαισθητοποιητή ή καταλύτη. Επιπλέον, το KGF-10 επέδειξε μια πρωτοφανώς υψηλή φαινομενική κβαντική απόδοση - ένα μέτρο της αποτελεσματικότητας της χρήσης φωτονίων - φτάνοντας σε τιμή 9,8% στα 400 nm. Αξιοσημείωτο είναι ότι η δομική ανάλυση που πραγματοποιήθηκε κατά τη διάρκεια της φωτοκαταλυτικής αντίδρασης έδειξε ότι το KGF-10 υφίσταται δομική τροποποίηση για να βοηθήσει στη διαδικασία αναγωγής.
Αυτή η πρωτοποριακή έρευνα παρουσιάζει έναν φωτοκαταλύτη υψηλής απόδοσης με βάση τον κασσίτερο KGF-10, χωρίς την ανάγκη για ευγενή μέταλλα ως μονόδρομο καταλύτη για τη μείωση του CO2 σε σχηματισμό μέσω του ορατού φωτός. Οι αξιοσημείωτες ιδιότητες του KGF-10 που καταδείχθηκαν σε αυτή τη μελέτη θα μπορούσαν να φέρνουν επανάσταση στη χρήση του ως φωτοκαταλύτη σε μια ποικιλία εφαρμογών, συμπεριλαμβανομένης της μείωσης του ηλιακού CO2. Ο καθηγητής Maeda καταλήγει: «Τα αποτελέσματά μας δείχνουν ότι τα MOF μπορούν να χρησιμεύσουν ως πλατφόρμα για την ανάπτυξη ανώτερων φωτοκαταλυτικών δυνατοτήτων μέσω της χρήσης μη τοξικών, οικονομικά αποδοτικών και άφθονων μετάλλων που βρίσκονται στη Γη, τα οποία συχνά είναι μοριακά μεταλλικά σύμπλοκα. Ανέφικτο.» Αυτή η ανακάλυψη ανοίγει νέους ορίζοντες στον τομέα της φωτοκατάλυσης και ανοίγει το δρόμο για τη βιώσιμη και αποτελεσματική χρήση των πόρων της Γης.
Το Newswise παρέχει στους δημοσιογράφους πρόσβαση σε έκτακτες ειδήσεις και μια πλατφόρμα για πανεπιστήμια, ιδρύματα και δημοσιογράφους ώστε να διανέμουν έκτακτες ειδήσεις στο κοινό τους.