Enkelte guldatomer katalyserer den selektive metanisering af kuldioxid

Et skridt mod kuldioxid (CO₂ ) neutralitet og afbødning af både drivhuseffekten og energikrisen ville være at omdanne CO₂ til kulbrintebaserede brændstoffer som metan ved hjælp af lys. I tidsskriftet Angewandte Chemie International Edition , har et kinesisk forskerhold introduceret en yderst effektiv fotokatalysator baseret på guldatomer for at gøre denne transformation mulig.

Den fotokatalytiske omdannelse af CO₂ sker gennem en række processer, hvor elektroner overføres. Dette kan resultere i forskellige produkter, herunder kulilte (CO), methanol (CH₃). OH), methan (CH₄ ) og andre carbonhydrider. Otte elektroner skal overføres på vej fra CO₂ til CH₄ —mere end for andre C₁ Produkter. Metan er det termodynamisk gunstige slutprodukt, men den konkurrerende reaktion for at danne CO kræver kun to elektroner og er meget hurtigere, så den er kinetisk begunstiget. Effektiv og selektiv metanisering er derfor særligt udfordrende.

Et team ledet af Hefeng Cheng (Shandong University, Jinan, Kina) og kolleger har nu udviklet en praktisk tilgang til effektivt at omdanne CO₂ til CH₄ ved hjælp af solenergi. Nøglen til deres succes er en ny katalysator med enkelte guldatomer. Fordi guldatomer aggregerer i konventionelle præparationsmetoder, udviklede teamet en ny strategi, der bruger en kompleks udveksling til at producere katalysatoren.

På grund af deres unikke elektroniske strukturer opfører enkeltatomkatalysatorer sig anderledes end konventionelle metalnanopartikler. Når de er fastgjort til en passende understøtning, er næsten alle enkelte atomer også tilgængelige som aktive katalytiske centre. I denne nye katalysator er enkelte guldatomer forankret til et ultratyndt zink-indiumsulfid nanolag og er hver koordineret til kun to svovlatomer. Under sollys blev katalysatoren vist at være meget aktiv med en CH₄ selektivitet på 77 %.

En fotosensibilisator (et rutheniumkompleks) absorberer lys, bliver ophidset og accepterer en elektron, der stilles til rådighed af en elektrondonor (triethanolamin). Det sender derefter elektronen videre til katalysatoren. De enkelte guldatomer på overfladen af ​​støtten fungerer som "elektronpumper". De fanger elektronerne betydeligt mere effektivt end guldnanopartikler og overfører dem til CO₂ molekyler og mellemprodukter.

Detaljeret karakterisering og beregninger afslører, at katalysatoren aktiverer CO₂ molecules to a much greater degree than gold nanoparticles, more strongly adsorbs the excited *CO intermediates, lowers the energy barrier for binding hydrogen ions, and stabilizes the *CH₃ intermediate. This allows CH₄ to be the favored product and minimizes the release of CO. + Udforsk yderligere

Optical microscope strategy allows observers to check electrons moving inside gold