Ny fotokatalysator omdanner effektivt kuldioxid til metanbrændstof med lys

Kuldioxid (CO ₂ ) er en af ​​de største drivhusgasser, der forårsager global opvarmning. Hvis kuldioxid kunne omdannes til energi, det ville slå to fluer med ét smæk i behandlingen af ​​miljøspørgsmål. Et fælles forskerhold ledet af City University of Hong Kong (CityU) har udviklet en ny fotokatalysator, som kan producere metanbrændstof (CH ₄ ) selektivt og effektivt fra kuldioxid ved hjælp af sollys. Ifølge deres forskning, mængden af ​​produceret methan blev næsten fordoblet i de første 8 timer af reaktionsprocessen.

Forskningen blev ledet af Dr. Ng Yun-hau, Lektor ved Skolen for Energi og Miljø (SEE), i samarbejde med forskere fra Australien, Malaysia og Storbritannien. Deres resultater er for nylig blevet offentliggjort i det videnskabelige tidsskrift Angewandte Chemie, med titlen "Metal-organiske rammer dekoreret cuprooxid nanotråde til langlivede ladninger påført i selektiv fotokatalytisk CO ₂ Reduktion til CH ₄ ".

Naturinspireret fotokatalyse

"Inspireret af fotosyntesen i naturen, kuldioxid kan nu effektivt omdannes til metanbrændstof ved hjælp af vores nydesignede solcelledrevne katalysator, hvilket vil reducere kulstofemissionen. Desuden, denne nye katalysator er lavet af kobberbaserede materialer, som er rigeligt og dermed overkommelig, " sagde Dr. Ng.

Han forklarede, at det er termodynamisk udfordrende at omdanne kuldioxid til metan ved hjælp af en fotokatalysator, fordi den kemiske reduktionsproces involverer en samtidig overførsel af otte elektroner. Carbonmonoxid, som er skadeligt for mennesker, er mere almindeligt produceret i processen, fordi det kun kræver overførsel af to elektroner.

Han påpegede, at kobber(II)oxid (Cu ₂ O), et halvledende materiale, er blevet anvendt som både fotokatalysator og elektrokatalysator for at reducere kuldioxid til andre kemiske produkter som kulilte og metan i forskellige undersøgelser. Imidlertid, det står over for flere begrænsninger i reduktionsprocessen, herunder dens ringere stabilitet og den ikke-selektive reduktion, som forårsager dannelsen af ​​en række forskellige produkter. Adskillelse og oprensning af disse produkter fra blandingen kan være meget udfordrende, og dette udgør en teknologisk barriere for anvendelse i stor skala. Desuden, kobberoxid kan let korroderes efter kort belysning og udvikle sig til metallisk kobber eller kobberoxid.

Selektiv produktion af ren metan

For at overkomme disse udfordringer, Dr. Ng og hans team syntetiserede en ny fotokatalysator ved at indpakke kobberoxid med kobberbaserede metal-organiske rammer (MOF'er). Ved at bruge denne nye katalysator, holdet kunne manipulere overførslen af ​​elektroner og selektivt producere ren metangas.

De opdagede, at sammenlignet med kobber(II)oxid uden MOF-skal, kobberoxid med MOF-skal reducerede kuldioxid til metan stabilt under bestråling med synligt lys med et næsten fordoblet udbytte. Også, kobberoxid med MOF-skal var mere holdbart, og den maksimale kuldioxidoptagelse var næsten syv gange den nøgne kobberoxid.

Kuldioxidoptagelsen steg

Holdet indkapslede de endimensionelle (1-D) kobberoxid nanotråde (med en diameter på omkring 400 nm) med den kobberbaserede MOF ydre skal på omkring 300 nm i tykkelse. Denne konforme belægning af MOF på kobber(II)oxid ville ikke blokere for lysindsamling af katalysatoren. Udover, MOF er en god kuldioxidadsorbent. Det gav betydelige overfladearealer til kuldioxidadsorption og reduktion. Da det var tæt knyttet til kobber(I)oxidet, det medførte en højere koncentration af kuldioxid adsorberet på steder nær de katalytisk aktive steder, styrkelse af samspillet mellem kuldioxid og katalysatoren.

I øvrigt, holdet opdagede, at kobberoxidet blev stabiliseret af den konforme belægning af MOF. De exciterede ladninger i kobber(II)oxid ved belysning kunne effektivt migrere til MOF. På denne måde overdreven akkumulering af exciterede ladninger i katalysatoren, som kunne føre til selvkorrosion, blev undgået, forlængede dermed katalysatorens levetid.

Elektroner forblev i MOF med større chance for at have kemiske reaktioner

Dr. Wu Hao, den første forfatter af papiret, som også er fra SEE, påpegede et af højdepunkterne i denne forskning og sagde:"Ved at bruge den avancerede tidsopløste fotoluminescensspektroskopi, vi observerede, at når elektronerne blev exciteret til kobber(I)oxidets ledningsbånd, de ville blive direkte overført til den laveste ubesatte molekylære orbital (LUMO) i MOF og forblive der, men vendte ikke hurtigt tilbage til deres valensbånd, som er af lavere energi. Dette skabte en langvarig ladningssepareret tilstand. Derfor, elektroner, der blev i MOF, ville have en større chance for at gennemgå kemiske reaktioner."

Udvider forståelsen af ​​sammenhænge mellem MOF'er og metaloxider

Tidligere, det blev generelt antaget, at de forbedrede fotokatalytiske aktiviteter blot var induceret af MOF's reaktantkoncentrationseffekt, og MOF tjente kun som en reaktantadsorbent. Imidlertid, Dr. Ngs team afslørede, hvordan de ophidsede ladninger migrerer mellem kobberoxid og MOF i denne forskning. "MOF har vist sig at spille en mere væsentlig rolle i udformningen af ​​reaktionsmekanismen, da den ændrer elektronbanen, " sagde han. Han påpegede, at denne opdagelse har udvidet forståelsen af ​​forholdet mellem MOF'er og metaloxider ud over deres konventionelle fysisk/kemiske adsorptionstype af interaktioner til at lette ladningsadskillelse.

Holdet har brugt mere end to år på at udvikle denne effektive strategi til omdannelse af kuldioxid. Deres næste skridt vil være at øge metanproduktionshastigheden yderligere og udforske måder at opskalere både syntesen af ​​katalysatoren og reaktorsystemerne. "I hele processen med at omdanne kuldioxid til metan, det eneste energiinput, vi har brugt, var sollys. Vi håber i fremtiden, kuldioxid udledt fra fabrikker og transport kan "genanvendes" til at producere grønne brændstoffer, " konkluderede Dr. Ng.