Newswise – Süsinikupõhiste kütuste kasvav nõudlus majanduse kütusena suurendab jätkuvalt õhus oleva süsinikdioksiidi (CO2) hulka. Kuigi CO2 heitkoguste vähendamiseks tehakse pingutusi, ei leevenda see atmosfääris juba oleva gaasi kahjulikke mõjusid. Seega on teadlased välja mõelnud loomingulisi viise atmosfääri CO2 kasutamiseks, muutes selle väärtuslikeks aineteks, näiteks sipelghappeks (HCOOH) ja metanooliks. CO2 fotoredutseerimine fotokatalüsaatorite abil, mis kasutavad katalüsaatorina nähtavat valgust, on selliste muundamise populaarne meetod.
Oma viimases läbimurdes, mis avalikustati 8. mail 2023 ajakirja Angewandte Chemie rahvusvahelises väljaandes, on professor Kazuhiko Maeda ja tema uurimisrühm Tokyo Tehnoloogiainstituudis teinud märkimisväärseid edusamme. Nad on edukalt välja töötanud tina (Sn) metallorgaanilise raamistiku (MOF), mis soodustab CO2 selektiivset fotoreduktsiooni. Hiljuti kasutusele võetud MOF sai nimeks KGF-10 ja selle keemiline valem on [SnII2(H3ttc)2.MeOH]n (H3ttc: tritiotsüanuurhape, MeOH: metanool). Nähtava valguse abil muundab KGF-10 CO2 tõhusalt sipelghappeks (HCOOH). Professor Maeda selgitas: „Praeguseks on välja töötatud palju haruldastel ja väärismetallidel põhinevaid ülitõhusaid fotokatalüsaatoreid CO2 vähendamiseks. Valgust neelavate ja katalüütiliste funktsioonide integreerimine ühte molekulaarsesse ühikusse, mis koosneb suurest hulgast metallidest, on aga endiselt väljakutse.“ Seega osutus Sn ideaalseks kandidaadiks nende kahe takistuse ületamiseks.
MOF-e, mis ühendavad metallide ja orgaaniliste materjalide eelised, uuritakse kui rohelisemat alternatiivi traditsioonilistele haruldaste muldmetallide baasil valmistatud fotokatalüsaatoritele. Sn, mis on tuntud oma kahese rolli poolest katalüsaatori ja valguse neelajana fotokatalüsaatori protsessides, võiks olla potentsiaalselt elujõuline variant MOF-põhiste fotokatalüsaatorite jaoks. Kuigi tsirkooniumist, rauast ja pliist koosnevaid MOF-e on põhjalikult uuritud, on Sn-põhiste MOF-ide mõistmine endiselt piiratud. Sn-põhiste MOF-ide võimaluste ja potentsiaalsete rakenduste täielikuks uurimiseks fotokatalüüsi valdkonnas on vaja täiendavaid uuringuid.
Tinapõhise MOF KGF-10 sünteesimiseks kasutasid teadlased lähteainetena H3ttc-d (tritiotsüanuurhapet), MeOH-d (metanooli) ja tinakloriidi. Elektronidoonoriks ja vesinikuallikaks valisid nad 1,3-dimetüül-2-fenüül-2,3-dihüdro-1H-benso[d]imidasooli. Pärast sünteesi viidi saadud KGF-10-ga läbi mitmesugused analüütilised meetodid. Need testid näitasid, et materjalil on mõõdukas CO2 adsorptsioonivõime keelutsooniga 2,5 eV ja efektiivne neeldumine nähtava lainepikkuse vahemikus.
Uue materjali füüsikaliste ja keemiliste omaduste tundmisega relvastatuna kasutasid teadlased seda süsinikdioksiidi redutseerimise katalüüsimiseks nähtava valguse toimel. Märkimisväärselt leidsid teadlased, et KGF-10 saavutab CO2 muundamise formiaadiks (HCOO-) kuni 99% selektiivsusega ilma igasuguse abifotosensibilisaatori või katalüsaatorita. Lisaks näitas KGF-10 enneolematult kõrget näivat kvantsaagist – footonite kasutamise efektiivsuse mõõtu –, ulatudes väärtuseni 9,8% 400 nm juures. Tähelepanuväärne on see, et fotokatalüütilise reaktsiooni ajal läbi viidud struktuurianalüüs näitas, et KGF-10 läbib struktuurilise modifikatsiooni, et redutseerimisprotsessi hõlbustada.
See murranguline uuring esitleb suure jõudlusega tinapõhist fotokatalüsaatorit KGF-10, mis ei vaja väärismetalle ühesuunalise katalüsaatorina CO2 redutseerimiseks formiaadiks nähtava valguse toimel. Selles uuringus demonstreeritud KGF-10 tähelepanuväärsed omadused võivad muuta selle kasutamist fotokatalüsaatorina mitmesugustes rakendustes, sealhulgas päikese CO2 vähendamisel. Professor Maeda järeldab: „Meie tulemused näitavad, et MOF-id võivad olla platvormiks paremate fotokatalüütiliste võimete arendamiseks, kasutades Maal leiduvaid mittetoksilisi, kulutõhusaid ja rikkalikke metalle, mis on sageli molekulaarsed metallikompleksid. Saavutamatud.“ See avastus avab uusi võimalusi fotokatalüüsi valdkonnas ja sillutab teed Maa ressursside säästvale ja tõhusale kasutamisele.
Newswise pakub ajakirjanikele juurdepääsu värsketele uudistele ning platvormi, mille kaudu ülikoolid, institutsioonid ja ajakirjanikud saavad oma publikule värskeid uudiseid levitada.