Omdannelse af CO2 til myresyre ved hjælp af en aluminiumoxid-understøttet, jernbaseret forbindelse

Fotoreduktion af CO₂ til transportabelt brændstof som myresyre (HCOOH) er en fantastisk måde at håndtere CO₂ på s stigende niveauer i atmosfæren. For at hjælpe med denne mission valgte et forskerhold fra Tokyo Tech et let tilgængeligt jernbaseret mineral og fyldte det på en aluminiumoxidstøtte for at udvikle en katalysator, der effektivt kan omdanne CO₂ ind i HCOOH med ~90% selektivitet.

Den stigende CO₂ niveauer i vores atmosfære og deres bidrag til den globale opvarmning er nu almindelige nyheder. Mens forskere eksperimenterer med forskellige måder at bekæmpe dette problem på, er der opstået en effektiv løsning – at omdanne overskydende atmosfærisk CO₂ til energirige kemikalier.

Produktion af brændstoffer som myresyre (HCOOH) ved fotoreduktion af CO₂ under sollys har tiltrukket sig stor opmærksomhed for nylig på grund af den dobbelte fordel, der kan opnås ved denne proces:den kan reducere overskydende CO₂ emissioner, og hjælper også med at minimere den energimangel, vi står over for i øjeblikket. Som en fremragende bærer af brint med høj energitæthed kan HCOOH levere energi via forbrænding, mens det kun frigiver vand som et biprodukt.

For at gøre denne lukrative løsning til virkelighed udviklede forskere fotokatalytiske systemer, der kunne reducere CO₂ ved hjælp af sollys. Et sådant system består af et lysabsorberende substrat (dvs. en fotosensibilisator) og en katalysator, der kan muliggøre de multi-elektronoverførsler, der kræves for at reducere CO₂ ind i HCOOH. Og dermed begyndte jagten på en passende og effektiv katalysator.

Faste katalysatorer blev anset for at være de bedste kandidater til denne opgave på grund af deres effektivitet og potentielle genanvendelighed, og gennem årene er katalytiske evner af mange kobolt-, mangan-, nikkel- og jernbaserede metal-organiske rammer (MOF'er) blevet undersøgt, med sidstnævnte har nogle fordele i forhold til andre metaller. De fleste af de rapporterede jernbaserede katalysatorer giver dog kun kulilte som hovedprodukt i stedet for HCOOH.

Dette problem blev ikke desto mindre hurtigt løst af et team af forskere fra Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) ledet af prof. Kazuhiko Maeda. I en nylig undersøgelse offentliggjort i Angewandte Chemie , præsenterede holdet en aluminiumoxid (Al₂ O₃ )-understøttet, jernbaseret katalysator, der bruger alfa-jern(III)-oxyhydroxid (α-FeOOH; geotit). Den nye α-FeOOH/Al₂ O₃ katalysator viste overlegen CO₂ til HCOOH-omdannelsesegenskaber sammen med fremragende genanvendelighed. På spørgsmålet om deres valg af katalysator, siger prof. Maeda:"Vi ønskede at udforske mere rigelige grundstoffer som katalysatorer i en CO₂ fotoreduktionssystem. Vi har brug for en solid katalysator, der er aktiv, genanvendelig, ikke-giftig og billig, og derfor valgte vi et udbredt jordmineral som goethit til vores eksperimenter."

Holdet brugte en simpel imprægneringsmetode til at syntetisere deres katalysator. De brugte så den jernbelastede Al₂ O₃ materiale til fotokatalytisk reduktion af CO₂ ved stuetemperatur i nærværelse af en ruthenium-baseret (Ru) fotosensibilisator, en elektrondonor og synligt lys med bølgelængde over 400 nanometer.

Resultaterne var ret opmuntrende; deres system viste 80-90% selektivitet over for hovedproduktet, HCOOH, og et kvanteudbytte på 4,3% (hvilket indikerer systemets effektivitet).

Denne undersøgelse præsenterer en første af sin slags, jernbaseret fast katalysator, der kan generere HCOOH, når den ledsages af en effektiv fotosensibilisator. Den undersøger også vigtigheden af ​​et ordentligt støttemateriale (Al₂ O₃ ) og dets virkning på den fotokemiske reduktionsreaktion.

Indsigten fra denne forskning kunne hjælpe med udviklingen af ​​nye katalysatorer – fri for ædelmetaller – til fotoreduktion af CO₂ til andre nyttige kemikalier. "Vores undersøgelse viser, at vejen til en grønnere energiøkonomi ikke behøver at være kompliceret. Store resultater kan opnås selv ved at anvende simple katalysatorfremstillingsmetoder og velkendte, jordrige forbindelser kan bruges som selektive katalysatorer for CO₂ reduktion, hvis de understøttes af forbindelser som aluminiumoxid," slutter Prof. Maeda. + Udforsk yderligere

Reduktion af kuldioxid ved hjælp af en pankromatisk osmiumkompleks fotosensibilisator