Newswise – Kasvava kysyntä hiilipohjaisille polttoaineille talouden polttoaineena lisää edelleen hiilidioksidin (CO2) määrää ilmassa. Vaikka CO2-päästöjä pyritään vähentämään, se ei lievennä ilmakehässä jo olevan kaasun haitallisia vaikutuksia. Siksi tutkijat ovat keksineet luovia tapoja hyödyntää ilmakehän CO2:ta muuntamalla sitä arvokkaiksi aineiksi, kuten muurahaishapoksi (HCOOH) ja metanoliksi. CO2:n fotopelkistys fotokatalyyteillä, jotka käyttävät näkyvää valoa katalyyttinä, on suosittu menetelmä tällaisiin muunnoksiin.
Angewandte Chemien kansainvälisessä numerossa 8. toukokuuta 2023 paljastetussa uusimmassa läpimurrossa professori Kazuhiko Maeda ja hänen tutkimusryhmänsä Tokion teknillisessä instituutissa ovat edistyneet merkittävästi. He ovat onnistuneesti kehittäneet tinasta (Sn) valmistetun metalli-orgaanisen rungon (MOF), joka edistää CO2:n selektiivistä fotoreduktiota. Äskettäin esitelty MOF nimettiin nimeksi KGF-10, ja sen kemiallinen kaava on [SnII2(H3ttc)2.MeOH]n (H3ttc: tritiosyanuurihappo, MeOH: metanoli). Näkyvän valon avulla KGF-10 muuntaa CO2:n tehokkaasti muurahaishapoksi (HCOOH). Professori Maeda selitti: "Tähän mennessä on kehitetty monia erittäin tehokkaita harvinaisiin ja jalometalleihin perustuvia fotokatalyyttejä CO2:n vähentämiseen. Valoa absorboivien ja katalyyttisten toimintojen integrointi yhteen molekyyliyksikköön, joka koostuu suuresta määrästä metalleja, on kuitenkin edelleen haaste." Näin ollen Sn osoittautui ihanteelliseksi ehdokkaaksi näiden kahden esteen voittamiseksi.
MOF-yhdisteitä, jotka yhdistävät metallien ja orgaanisten materiaalien edut, tutkitaan parhaillaan ympäristöystävällisempänä vaihtoehtona perinteisille harvinaisiin maametalleihin perustuville fotokatalyyteille. Sn, joka tunnetaan sekä katalyyttinä että valon absorboijana fotokatalyyttiprosesseissa, voisi olla varteenotettava vaihtoehto MOF-pohjaisille fotokatalyyteille. Vaikka zirkoniumista, raudasta ja lyijystä koostuvia MOF-yhdisteitä on tutkittu laajasti, ymmärrys Sn-pohjaisista MOF-yhdisteistä on edelleen rajallista. Lisätutkimuksia tarvitaan, jotta Sn-pohjaisten MOF-yhdisteiden mahdollisuuksia ja potentiaalisia sovelluksia fotokatalyysin alalla voidaan tutkia täysin.
Tinapohjaisen MOF KGF-10:n syntetisoimiseksi tutkijat käyttivät lähtöaineina H3ttc:tä (tritiosyanuurihappoa), MeOH:ta (metanolia) ja tinakloridia. Elektronidonorin ja vedyn lähteen lähde oli 1,3-dimetyyli-2-fenyyli-2,3-dihydro-1H-bentso[d]imidatsoli. Synteesin jälkeen saatu KGF-10 analysoitiin useilla eri menetelmillä. Nämä testit osoittivat, että materiaalilla on kohtalainen CO2-adsorptiokyky, jonka energiaväli on 2,5 eV, ja tehokas absorptio näkyvällä aallonpituusalueella.
Uuden materiaalin fysikaalisten ja kemiallisten ominaisuuksien tuntemuksella varustetut tutkijat käyttivät sitä katalysoimaan hiilidioksidin pelkistymistä näkyvällä valolla. Tutkijat havaitsivat erityisesti, että KGF-10 saavuttaa CO2:n muuntamisen formiaatiksi (HCOO-) jopa 99 %:n selektiivisyydellä ilman mitään ylimääräisiä valoherkistäjiä tai katalyyttiä. Lisäksi KGF-10 osoitti ennennäkemättömän korkean näennäisen kvanttisaannon – fotonien käytön tehokkuuden mittana – saavuttaen 9,8 %:n arvon 400 nm:ssä. Merkillepantavaa on, että fotokatalyyttisen reaktion aikana suoritettu rakenneanalyysi osoitti, että KGF-10 läpikäy rakenteellisen modifikaation, joka auttaa pelkistymisprosessissa.
Tämä uraauurtava tutkimus esittelee tehokkaan tinapohjaisen fotokatalyytin KGF-10, joka ei tarvitse jalometalleja yksisuuntaiseksi katalyyttiksi CO2:n pelkistämiseksi formiaatiksi näkyvän valon avulla. Tässä tutkimuksessa osoitetut KGF-10:n merkittävät ominaisuudet voisivat mullistaa sen käytön fotokatalyyttinä monissa sovelluksissa, mukaan lukien aurinkoenergian CO2-päästöjen vähentämisessä. Professori Maeda päättelee: "Tuloksemme osoittavat, että MOF:t voivat toimia alustana erinomaisten fotokatalyyttisten ominaisuuksien kehittämiselle käyttämällä Maasta löytyviä myrkyttömiä, kustannustehokkaita ja runsaasti esiintyviä metalleja, jotka ovat usein molekyylimetallikomplekseja. Saavuttamattomia." Tämä löytö avaa uusia mahdollisuuksia fotokatalyysin alalla ja tasoittaa tietä maapallon luonnonvarojen kestävälle ja tehokkaalle käytölle.
Newswise tarjoaa toimittajille pääsyn tuoreimpiin uutisiin ja alustan, jonka avulla yliopistot, instituutiot ja toimittajat voivat jakaa tuoreimpia uutisia yleisöilleen.