Med den pågående utarmningen av fossila bränslen, ökningen av växthusgaser, frågan om hur man gör rent, säker och prisvärd energi förblir en kritisk fråga.

Efter framstående arbete av Nobelpristagaren Jean-Marie Lehn och andra på 1980-talet, fotokatalysatorer – material som omvandlar ljus till energi – har alltmer utforskats som ett effektivt sätt att bryta ner koldioxid (CO2) till användbara, högenergimolekyler. Jämfört med konventionella metoder som termisk katalys, till exempel, fotokatalysatorer har fördelen att de inte kräver dyra förfaranden såsom höga temperaturer och tryck.

Nu, ett forskarlag under ledning av Kazuhiko Maeda vid Tokyo Tech har utvecklat ett nytt nanomaterial som kan minska CO2 med en selektivitet (Term.a) på 99 % och en omsättning (Term.b) på mer än 2000, överträffar befintliga metoder.

Dessa resultat är de högsta registrerade under synligt ljus och i vatten, att föra Maedas team ett steg närmare målet med artificiell fotosyntes – designen av system som replikerar den naturliga processen att använda solljus, vatten och CO2 för hållbar energiproduktion.

Det nya materialet, redovisas i Angewandte Chemie , består av nanoskivor av kolnitrid med hög yta kombinerat med en metallstruktur som kallas ett binukleärt rutenium(II)-komplex (RuRu'). Även om olika typer av metallkomplex är kända för att främja CO2-reduktion, Maeda säger att RuRu' för närvarande är "den bäst presterande" men måste ersättas med ädelmetallfria motsvarigheter i framtiden.

Det som gör materialet unikt är i vilken utsträckning RuRu' binder till nanoskivans yta. Stark bindning förbättrar elektronöverföring, vilket i sin tur förbättrar CO2-minskningen. I studien, upp till 70 % av RuRu' visade sig vara fäst vid nanoarken – en aldrig tidigare skådad siffra, Maeda förklarar, med tanke på att kolnitridytan anses vara kemiskt inert. "Detta har varit en stor överraskning i vårt forskarsamhälle, " han säger.

Också, för att optimera prestanda, Maedas team modifierade nanoarken med silver, som spelar en viktig roll för att förbättra elektronfångst och överföringseffektivitet.

Forskningen öppnar för nya möjligheter för kolnitridbaserade fotokatalysatorer, eftersom de fungerar inte bara i vatten utan även i olika organiska lösningsmedel, som kan omvandlas till förädlade kemikalier såsom aldehyder i den kemiska industrin.

"Tills helt nyligen, det verkade omöjligt att uppnå CO2-reduktion under synligt ljus i vattenlösning med hög effektivitet, " säger Maeda. "Vårt nya resultat visar tydligt att detta verkligen är möjligt, även med ett lågkostnadsmaterial baserat på kolnitrid."

En av nästa utmaningar för Maedas team är att designa fotokatalysatorer som består av jordnära metaller som järn och koppar i stället för den sällsynta metallen rutenium.