Newswise – Растущий спрос на углеводородное топливо для обеспечения экономики продолжает увеличивать количество углекислого газа (CO2) в атмосфере. Хотя предпринимаются усилия по сокращению выбросов CO2, это не смягчает вредного воздействия газа, уже находящегося в атмосфере. Поэтому исследователи разработали креативные способы использования атмосферного CO2, преобразуя его в ценные вещества, такие как муравьиная кислота (HCOOH) и метанол. Фотовосстановление CO2 с использованием фотокатализаторов, использующих видимый свет в качестве катализатора, является популярным методом таких преобразований.
В последнем прорыве, о котором было объявлено 8 мая 2023 года в международном выпуске журнала Angewandte Chemie, профессор Казухико Маэда и его исследовательская группа из Токийского технологического института добились значительного прогресса. Они успешно разработали металлоорганический каркас (МОК) на основе олова (Sn), который способствует селективному фотовосстановлению CO2. Недавно представленный МОК получил название KGF-10, а его химическая формула — [SnII2(H3ttc)2.MeOH]n (H3ttc: тритиоциануровая кислота, MeOH: метанол). Используя видимый свет, KGF-10 эффективно превращает CO2 в муравьиную кислоту (HCOOH). Профессор Маэда пояснил: «На сегодняшний день разработано множество высокоэффективных фотокатализаторов для восстановления CO2 на основе редких и благородных металлов. Однако интеграция светопоглощающих и каталитических функций в единую молекулярную единицу, состоящую из большого количества металлов, остается сложной задачей». Таким образом, олово оказалось идеальным кандидатом для преодоления этих двух препятствий.
МОФы, сочетающие в себе преимущества металлов и органических материалов, исследуются как более экологичная альтернатива традиционным фотокатализаторам на основе редкоземельных металлов. Олово (Sn), известное своей двойной ролью катализатора и поглотителя света в фотокаталитических процессах, потенциально может стать жизнеспособным вариантом для фотокатализаторов на основе МОФов. Хотя МОФы, состоящие из циркония, железа и свинца, были extensively изучены, понимание МОФов на основе олова все еще ограничено. Необходимы дальнейшие исследования для полного изучения возможностей и потенциальных применений МОФов на основе олова в области фотокатализа.
Для синтеза металлоорганического каркаса на основе олова KGF-10 исследователи использовали в качестве исходных компонентов H3ttc (тритиоциануровую кислоту), MeOH (метанол) и хлорид олова. В качестве донора электронов и источника водорода они выбрали 1,3-диметил-2-фенил-2,3-дигидро-1H-бензо[d]имидазол. После синтеза полученный KGF-10 был подвергнут различным аналитическим методам. Эти тесты показали, что материал обладает умеренной адсорбционной способностью по отношению к CO2 с шириной запрещенной зоны 2,5 эВ и эффективным поглощением в видимом диапазоне длин волн.
Обладая знаниями о физических и химических свойствах нового материала, ученые использовали его для катализа восстановления диоксида углерода видимым светом. Примечательно, что исследователи обнаружили, что KGF-10 обеспечивает превращение CO2 в формиат (HCOO-) с селективностью до 99% без использования каких-либо дополнительных фотосенсибилизаторов или катализаторов. Кроме того, KGF-10 продемонстрировал беспрецедентно высокий кажущийся квантовый выход — показатель эффективности использования фотонов — достигнув значения 9,8% при 400 нм. Примечательно, что структурный анализ, проведенный в ходе фотокаталитической реакции, показал, что KGF-10 претерпевает структурную модификацию, способствующую процессу восстановления.
В этом новаторском исследовании представлен высокоэффективный фотокатализатор на основе олова KGF-10, не требующий использования благородных металлов, в качестве однонаправленного катализатора для восстановления CO2 до формиата под действием видимого света. Замечательные свойства KGF-10, продемонстрированные в этом исследовании, могут произвести революцию в его использовании в качестве фотокатализатора в различных областях применения, включая восстановление CO2 под действием солнечного света. Профессор Маэда заключает: «Наши результаты показывают, что MOF могут служить платформой для разработки превосходных фотокаталитических возможностей за счет использования нетоксичных, экономически эффективных и распространенных на Земле металлов, которые часто представляют собой молекулярные металлокомплексы. Это открытие открывает новые возможности и горизонты в области фотокатализа и прокладывает путь к устойчивому и эффективному использованию ресурсов Земли.
Newswise предоставляет журналистам доступ к оперативным новостям, а также платформу для университетов, учреждений и журналистов, позволяющую распространять оперативные новости среди своей аудитории.