Cu2O (höger) som genomgår fotokorrosion jämfört med Cu2O/TiO2 (vänster) som arbetar under ett Z-schema för att minska CO2. Kredit:Ruixin Zhou
Ett team av kemister från University of Kentucky och Institute of Physics Research i Mar del Plata i Argentina har just rapporterat ett sätt att utlösa ett grundläggande steg i mekanismen för fotosyntes, ger en process med stor potential för att utveckla ny teknik för att minska koldioxidhalterna.
Leds av Marcelo Guzman, en docent i kemi> i UK College of Arts and Sciences, och Ruixin Zhou, en doktorand som arbetar med Guzman, forskarna använde ett syntetiskt nanomaterial som kombinerar den starkt reducerande kraften hos kopparoxid (Cu 2 O) med en beläggning av oxiderande titandioxid (TiO 2 ) som förhindrar förlust av koppar(I)jon i katalysatorn. Katalysatorn gjord av Cu 2 O/TiO 2 har den unika förmågan att överföra elektroner för att reducera atmosfärens växthusgas koldioxid (CO) 2 ) samtidigt som vattenmolekylen (H 2 O). Den unika egenskapen hos denna katalysator för elektronöverföring efterliknar den så kallade "Z-schema"-mekanismen från fotosyntesen.
Publicerad i Tillämpad katalys B:Miljömässig , forskarna visade att om katalysatorn utsätts för solljus överförs elektroner till CO 2 i en process som liknar hur fotosystem 1 och 2 fungerar i naturen.
"Utveckla de material som kan kombineras för att minska CO 2 genom en direkt Z-schema mekanism med solljus är ett viktigt problem, " sade Zhou. "Men, det är ännu svårare att visa att processen faktiskt fungerar. Ur denna vetenskapliga synvinkel, forskningen bidrar till avancerad funktionsteknologi för kolbindning."
Detta är en uppgift som många forskare har ägnat sig åt under lång tid, men utmaningen är att bevisa att båda komponenterna i katalysatorn samverkar för att möjliggöra de elektroniska egenskaperna hos en Z-schemamekanism. Även om en mängd olika material kan användas, den viktigaste aspekten av denna forskning är att katalysatorn inte är gjord av knappa och mycket dyra grundämnen som rhenium och iridium för att driva reaktionerna med solljusenergi som når jordens yta. Katalysatorn använde korrosionsbeständig TiO 2 att applicera en vit skyddande beläggning på oktaedriska partiklar av rött Cu 2 O.
Teamet designade en serie experiment för att testa hypotesen att katalysatorn fungerar genom ett Z-schema istället för att använda en dubbelladdningsöverföringsmekanism. Den uppmätta kolmonoxidproduktionen (CO) från CO 2 minskning, identifieringen av hydroxylradikal (HO • ) mellanliggande från H 2 O-oxidation på väg för att bilda syre (O 2 ), och de karakteriserade elektroniska och optiska egenskaperna hos katalysatorn och individuella komponenter bekräftade att det föreslagna Z-schemat fungerade.
Nästa mål med forskningen är att förbättra tillvägagångssättet genom att utforska en rad olika katalysatorer och identifiera den mest effektiva för att omvandla CO 2 till kemiska bränslen som metan. Den här vägen, ny teknik kommer att skapas för att tillhandahålla rena och prisvärda alternativa energikällor och för att ta itu med problemet med kontinuerlig förbrukning av fossila bränslen och stigande nivåer av växthusgaser.
Denna forskning stöddes delvis av U.S. National Science Foundation, Storbritannien och av två argentinska byråer (CONICET och ANPCyT).