Forskere udvikler katalysator, der efterligner fotosyntesens Z-skema

Et team af kemikere fra University of Kentucky og Institute of Physics Research i Mar del Plata i Argentina har netop rapporteret en måde at udløse et grundlæggende trin i mekanismen for fotosyntese, giver en proces med stort potentiale for at udvikle ny teknologi til at reducere kuldioxidniveauer.

Anført af Marcelo Guzman, en lektor i kemi> ved UK College of Arts and Sciences, og Ruixin Zhou, en doktorand, der arbejder med Guzman, forskerne brugte et syntetisk nanomateriale, der kombinerer den stærkt reducerende effekt af kobberoxid (Cu ₂ O) med en belægning af oxiderende titandioxid (TiO ₂ ), der forhindrer tab af kobber (I) ion i katalysatoren. Katalysatoren fremstillet af Cu ₂ O/TiO ₂ har den unikke evne til at overføre elektroner til reduktion af den atmosfæriske drivhusgas kuldioxid (CO ₂ ) og samtidig bryde vandmolekylet (H ₂ O). Det unikke ved denne katalysator til elektronoverførsel efterligner den såkaldte "Z-skema" -mekanisme fra fotosyntese.

Udgivet i Anvendt katalyse B:Miljø , forskerne demonstrerede, at hvis katalysatoren udsættes for sollys, overføres elektroner til CO ₂ i en proces, der ligner den måde, fotosystemer 1 og 2 fungerer på i naturen.

"Udvikling af de materialer, der kan kombineres for at reducere CO ₂ gennem en direkte Z-planmekanisme med sollys er et vigtigt problem, "sagde Zhou." Dog, det er endnu vanskeligere at demonstrere, at processen rent faktisk virker. Fra dette videnskabelige synspunkt, forskningen bidrager til at fremme funktionsteknologi til kulstofbinding. "

Dette er en opgave, som mange forskere har udført i lang tid, men udfordringen er at bevise, at begge komponenter i katalysatoren interagerer for at muliggøre de elektroniske egenskaber ved en Z-skema-mekanisme. Selvom der kan bruges forskellige materialer, det centrale aspekt af denne forskning er, at katalysatoren ikke er lavet af knappe og meget dyre elementer som rhenium og iridium for at drive reaktionerne med sollys energi, der når Jordens overflade. Katalysatoren anvendte korrosionsbestandig TiO ₂ at påføre en hvid beskyttende belægning på oktaedriske partikler af rød Cu ₂ O.

Teamet designede en række eksperimenter for at teste hypotesen om, at katalysatoren fungerer gennem et Z-skema i stedet for at bruge en overførselsmekanisme med dobbelt ladning. Den målte kulilteproduktion (CO) fra CO ₂ reduktion, identifikation af hydroxylradikal (HO ^• ) mellemprodukt fra H ₂ O -oxidation undervejs til dannelse af ilt (O ₂ ), og de karakteriserede elektroniske og optiske egenskaber for katalysatoren og individuelle komponenter verificerede, at den foreslåede Z-skema var operationel.

Det næste mål med forskningen er at forbedre tilgangen ved at undersøge en række forskellige katalysatorer og identificere den mest effektive til at transformere CO ₂ til kemiske brændstoffer som metan. Denne måde, ny teknologi vil blive skabt til at levere rene og billige alternative energikilder og til at løse problemet med kontinuerligt forbrug af fossile brændstoffer og stigende niveauer af drivhusgasser.

Denne forskning blev delvist støttet af U.S.National Science Foundation, Storbritannien og af to argentinske agenturer (CONICET og ANPCyT).