В связи с продолжающимся истощением запасов ископаемого топлива и ростом выбросов парниковых газов вопрос о том, как производить чистую, безопасную и доступную энергию, остается серьезной проблемой.
После основополагающей работы лауреата Нобелевской премии Жана-Мари Лена и других в 1980-х годах фотокатализаторы - материалы, преобразующие свет в энергию - все чаще исследуются как эффективный способ расщепления углекислого газа (CO 2) в полезные высокоэнергетические молекулы. По сравнению с традиционными подходами, такими как, например, термический катализ, фотокатализаторы имеют то преимущество, что не требуют дорогостоящих процедур, таких как высокие температуры и давления.
Теперь исследовательская группа под руководством Казухико Маэда из Tokyo Tech разработала новый наноматериал, способный снижать CO2 с селективностью (Term.a) 99% и оборот(Term.b) количество более 2000, превосходя существующие методы.
Эти результаты являются самыми высокими, зарегистрированными при видимом свете и в воде, что приближает команду Маеды к цели искусственного фотосинтеза - разработке систем, которые воспроизводят естественный процесс использования солнечного света, воды и CO 2 для устойчивого производства энергии.
Новый материал, о котором сообщается в Angewandte Chemie, состоит из нанолистов нитрида углерода с большой площадью поверхности в сочетании с металлической структурой, известной как биядерный комплекс рутения (II) (RuRu'). Хотя известно, что различные виды комплексов металлов способствуют восстановлению CO2, Маэда говорит, что RuRu' в настоящее время является «наиболее эффективным», но его необходимо заменить аналогами, не содержащими драгоценных металлов. будущее.
Что делает этот материал уникальным, так это степень, в которой RuRu' связывается с поверхностью нанолиста. Сильное связывание улучшает перенос электронов, что, в свою очередь, улучшает восстановление CO2. В исследовании было обнаружено, что до 70% RuRu' прикреплено к нанолистам - беспрецедентный показатель, объясняет Маэда, учитывая, что поверхность из нитрида углерода считается химически инертной. «Это стало большим сюрпризом для нашего исследовательского сообщества», - говорит он.
Кроме того, для оптимизации производительности команда Маэды модифицировала нанолисты серебром, которое играет важную роль в повышении эффективности захвата и переноса электронов.
Исследование открывает новые возможности для фотокатализаторов на основе нитрида углерода, поскольку они работают не только в воде, но и в различных органических растворителях, которые могут быть преобразованы в химические вещества с добавленной стоимостью, такие как альдегиды в химической промышленности.
«До недавнего времени казалось невозможным добиться снижения CO2 под действием видимого света в водном растворе с высокой эффективностью», - говорит Маеда.«Наш новый результат ясно демонстрирует, что это действительно возможно даже при использовании недорогого материала на основе нитрида углерода».
Одной из следующих задач, стоящих перед командой Маэды, является разработка фотокатализаторов, состоящих из широко распространенных металлов, таких как железо и медь, вместо редкого металла рутения.