Nyt kulnitridmateriale kombineret med ruthenium forbedrer CO2-reduktionen i synligt lys i vand

Med den igangværende udtømning af fossile brændstoffer, stigningen i drivhusgasser, spørgsmålet om, hvordan man gør rent, sikker og overkommelig energi er fortsat et kritisk problem.

Efter banebrydende arbejde af nobelpristageren Jean-Marie Lehn og andre i 1980'erne, fotokatalysatorer - materialer, der omdanner lys til energi - er i stigende grad blevet udforsket som en effektiv måde at nedbryde kuldioxid (CO2) til nyttige, højenergimolekyler. Sammenlignet med konventionelle tilgange såsom termisk katalyse, for eksempel, fotokatalysatorer har den fordel, at de ikke kræver dyre procedurer såsom høje temperaturer og tryk.

Nu, et forskerhold ledet af Kazuhiko Maeda ved Tokyo Tech har udviklet et nyt nanomateriale, der er i stand til at reducere CO2 med en selektivitet(Term.a) på 99% og et omsætning(Term.b)-tal på mere end 2000, bedre end eksisterende metoder.

Disse resultater er de højeste registreret under synligt lys og i vand, bringer Maedas team et skridt nærmere målet om kunstig fotosyntese – designet af systemer, der replikerer den naturlige proces med at bruge sollys, vand og CO2 til bæredygtig energiproduktion.

Det nye materiale, rapporteret i Angewandte Chemie , består af kulnitrid-nanoplader med højt overfladeareal kombineret med en metalstruktur kendt som et binukleært ruthenium(II)-kompleks (RuRu'). Selvom forskellige slags metalkomplekser er kendt for at fremme CO2-reduktion, Maeda siger, at RuRu' i øjeblikket er "den bedst ydende", men skal erstattes med modstykker uden ædelmetal i fremtiden.

Det, der gør materialet unikt, er i hvilken grad RuRu'en binder sig til nanopladens overflade. Stærk binding forbedrer elektronoverførsel, hvilket igen forbedrer CO2-reduktionen. I undersøgelsen, op til 70% af RuRu' viste sig at være knyttet til nanoarkene - et hidtil uset tal, Maeda forklarer, givet, at carbonnitridoverfladen menes at være kemisk inert. "Dette har været en stor overraskelse i vores forskningsmiljø, " han siger.

Også, for at optimere ydeevnen, Maedas team modificerede nanosheetene med sølv, som spiller en vigtig rolle i at forbedre elektronindfangnings- og overførselseffektiviteten.

Forskningen åbner op for nye muligheder for kulnitrid-baserede fotokatalysatorer, da de ikke kun virker i vand, men også i forskellige organiske opløsningsmidler, som kan omdannes til værdiskabende kemikalier såsom aldehyder i den kemiske industri.

"Indtil for ganske nylig, det syntes umuligt at opnå CO2-reduktion under synligt lys i vandig opløsning med høj effektivitet, " siger Maeda. "Vores nye resultat viser tydeligt, at dette faktisk er muligt, selv ved at bruge et billigt carbonnitrid-baseret materiale."

En af de næste udfordringer for Maedas team er at designe fotokatalysatorer, der består af metaller, der er rigelige på jorden, såsom jern og kobber i stedet for det sjældne metalruthenium.