En "självvärmande" borkatalysator som använder solljus särskilt effektivt för att minska koldioxiden (CO2) fungerar som en lätt skördare, fototermisk omvandlare, vätegenerator, och katalysator i ett. I journalen Angewandte Chemie , forskare introducerar en fototermokatalytisk reaktion som inte kräver några tillsatser utöver vatten. Detta kan ligga till grund för en ny, effektivare process för att omvandla växthusgasen CO2 till en användbar kolkälla för produktion av bränslen och kemiska produkter.
Den idealiska vägen för att göra CO2 användbar anses vara reduktion med hjälp av en fotokatalysator för att använda solljus som den enda energikällan - en process som motsvarar det första steget i fotosyntesen. Trots årtionden av forskning, processer för att omvandla CO2 är fortfarande för ineffektiva. "Detta beror till stor del på det otillräckliga utnyttjandet av solljus, den höga energibarriären för CO2-aktivering, och den tröga kinetiken för de multipla elektron- och protonöverföringsprocesserna, " förklarar Jinhua Ye.
Arbeta med ett team för National Institute for Materials Science (NIMS) i Tsukuba, Ibaraki, och Hokkaido University i Sapporo (Japan), samt Tianjin University och Nanjing University of Aeronautics and Astronautics (Kina), Ye följer nu en strategi som använder både ljus och termisk energi från solljus. När solen skiner på en yta, den är uppvärmd. Forskarna vill använda denna vanliga fototermiska effekt för att öka effektiviteten hos katalytiska system. Deras val av material är pulveriserat elementärt bor, som mycket starkt absorberar solljus och effektivt omvandlar det fototermiskt, värmer sig själv anmärkningsvärt. Detta gjorde det möjligt för teamet att genomföra en effektiv minskning av CO2 för att bilda kolmonoxid (CO) och metan (CH4) under bestrålning i närvaro av vatten, utan ytterligare reagens eller samkatalysatorer.
Bestrålning gör att borpartiklarna värms upp till cirka 378 °C. Vid denna temperatur reagerar den med vatten, bildar väte och boroxider in situ. Boroxiderna fungerar som "fällor" för CO2-molekyler. Vätet är mycket reaktivt och i närvaro av den ljusaktiverade borkatalysatorn, reducerar effektivt CO2 genom att tillhandahålla nödvändiga protoner (H+) och elektroner.
"Nyckeln till vår framgång ligger i de gynnsamma egenskaperna hos borpulvret, vilket gör den till en allt-i-ett-katalysator:lätt skördare, fototermisk omvandlare, vätekälla, och katalysator, " säger Ye. "Vår studie bekräftar den mycket lovande potentialen hos en fototermokatalytisk strategi för omvandling av CO2 och öppnar potentiellt nya vyer för utvecklingen av andra solenergidrivna reaktionssystem."
