Newswise – De groeiende vraag naar fossiele brandstoffen om de economie draaiende te houden, zorgt ervoor dat de hoeveelheid koolstofdioxide (CO2) in de lucht blijft toenemen. Hoewel er inspanningen worden geleverd om de CO2-uitstoot te verminderen, neemt dit de schadelijke effecten van het gas dat zich al in de atmosfeer bevindt niet weg. Daarom hebben onderzoekers creatieve manieren bedacht om atmosferische CO2 te gebruiken door het om te zetten in waardevolle stoffen zoals mierenzuur (HCOOH) en methanol. Fotoreductie van CO2 met behulp van fotokatalysatoren die zichtbaar licht als katalysator gebruiken, is een populaire methode voor dergelijke omzettingen.
In de nieuwste doorbraak, onthuld in de internationale editie van Angewandte Chemie van 8 mei 2023, hebben professor Kazuhiko Maeda en zijn onderzoeksteam aan het Tokyo Institute of Technology aanzienlijke vooruitgang geboekt. Ze hebben met succes een metaal-organisch raamwerk (MOF) van tin (Sn) ontwikkeld dat de selectieve fotoreductie van CO2 bevordert. Het recent geïntroduceerde MOF kreeg de naam KGF-10 en de chemische formule is [SnII2(H3ttc)2.MeOH]n (H3ttc: trithiocyanuurzuur, MeOH: methanol). Met behulp van zichtbaar licht zet KGF-10 CO2 effectief om in mierenzuur (HCOOH). Professor Maeda legde uit: "Tot nu toe zijn er veel zeer efficiënte fotokatalysatoren voor CO2-reductie op basis van zeldzame en edele metalen ontwikkeld. Het integreren van lichtabsorberende en katalytische functies in één moleculaire eenheid, samengesteld uit een groot aantal metalen, blijft echter een uitdaging." Sn bleek daarom een ​​ideale kandidaat om deze twee obstakels te overwinnen.
MOF's, die de voordelen van metalen en organische materialen combineren, worden onderzocht als een groener alternatief voor traditionele fotokatalysatoren op basis van zeldzame aardmetalen. Tin, bekend om zijn dubbele rol als katalysator en lichtabsorbeerder in fotokatalytische processen, zou een veelbelovende optie kunnen zijn voor MOF-gebaseerde fotokatalysatoren. Hoewel MOF's samengesteld uit zirkonium, ijzer en lood uitgebreid zijn bestudeerd, is de kennis over tin-gebaseerde MOF's nog beperkt. Verder onderzoek is nodig om de mogelijkheden en potentiële toepassingen van tin-gebaseerde MOF's op het gebied van fotokatalyse volledig te verkennen.
Om het op tin gebaseerde MOF KGF-10 te synthetiseren, gebruikten de onderzoekers H3ttc (trithiocyanuurzuur), MeOH (methanol) en tinchloride als uitgangsstoffen. Ze kozen 1,3-dimethyl-2-fenyl-2,3-dihydro-1H-benzo[d]imidazool als elektronendonor en waterstofbron. Na de synthese werd het verkregen KGF-10 aan verschillende analytische methoden onderworpen. Deze tests toonden aan dat het materiaal een matige CO2-adsorptiecapaciteit heeft met een bandafstand van 2,5 eV en effectieve absorptie in het zichtbare golflengtegebied.
Gewapend met kennis van de fysische en chemische eigenschappen van het nieuwe materiaal, gebruikten de wetenschappers het om de reductie van koolstofdioxide door zichtbaar licht te katalyseren. Opvallend is dat de onderzoekers ontdekten dat KGF-10 CO2 omzet in formiaat (HCOO-) met een selectiviteit tot 99% zonder hulpstoffen zoals een fotosensibilisator of katalysator. Bovendien vertoonde KGF-10 een ongekend hoge schijnbare kwantumopbrengst – een maat voor de efficiëntie van het gebruik van fotonen – die een waarde van 9,8% bereikte bij 400 nm. Structurele analyse tijdens de fotokatalytische reactie toonde aan dat KGF-10 een structurele modificatie ondergaat die het reductieproces bevordert.
Dit baanbrekende onderzoek presenteert een hoogwaardige tin-gebaseerde fotokatalysator, KGF-10, die geen edelmetalen nodig heeft als eenrichtingskatalysator voor de reductie van CO2 tot formiaat door zichtbaar licht. De opmerkelijke eigenschappen van KGF-10, aangetoond in deze studie, zouden het gebruik ervan als fotokatalysator in diverse toepassingen, waaronder de reductie van CO2 met behulp van zonne-energie, kunnen revolutioneren. Prof. Maeda concludeert: "Onze resultaten tonen aan dat MOF's kunnen dienen als platform voor de ontwikkeling van superieure fotokatalytische eigenschappen door het gebruik van niet-giftige, kosteneffectieve en overvloedig aanwezige metalen die op aarde voorkomen, vaak in de vorm van moleculaire metaalcomplexen die voorheen onbereikbaar waren." Deze ontdekking opent nieuwe mogelijkheden en perspectieven op het gebied van fotokatalyse en effent de weg voor een duurzaam en efficiënt gebruik van de natuurlijke hulpbronnen van de aarde.
Newswise biedt journalisten toegang tot het laatste nieuws en een platform voor universiteiten, instellingen en journalisten om dit nieuws met hun publiek te delen.