Koldioxid (CO ₂ ) är en av de största växthusgaserna som orsakar global uppvärmning. Om koldioxid kunde omvandlas till energi, det skulle vara att döda två fåglar i en smäll för att hantera miljöfrågor. En gemensam forskargrupp ledd av City University of Hong Kong (CityU) har utvecklat en ny fotokatalysator som kan producera metanbränsle (CH ₄ ) selektivt och effektivt från koldioxid med solljus. Enligt deras forskning, den producerade kvantiteten metan fördubblades nästan under de första 8 timmarna av reaktionsprocessen.

Forskningen leddes av Dr. Ng Yun-hau, Docent vid Institutionen för energi och miljö (SEE), i samarbete med forskare från Australien, Malaysia och Storbritannien. Deras resultat har nyligen publicerats i den vetenskapliga tidskriften Angewandte Chemie, med titeln "Metal-organiska ramar dekorerade kopparoxidnanotrådar för långlivade laddningar applicerade i selektiv fotokatalytisk CO ₂ Reduktion till CH ₄ ".

Naturinspirerad fotokatalys

"Inspirerad av fotosyntesen i naturen, koldioxid kan nu effektivt omvandlas till metanbränsle av vår nydesignade soldrivna katalysator, vilket minskar koldioxidutsläppen. Vidare, denna nya katalysator är gjord av kopparbaserade material, vilket är rikligt och därmed prisvärt, "sa Dr Ng.

Han förklarade att det är termodynamiskt utmanande att omvandla koldioxid till metan med hjälp av en fotokatalysator eftersom den kemiska reduktionsprocessen innebär en samtidig överföring av åtta elektroner. Kolmonoxid, som är skadligt för människor, produceras oftare i processen eftersom det endast kräver överföring av två elektroner.

Han påpekade att koppar(I)oxid (Cu ₂ O), ett halvledande material, har tillämpats som både fotokatalysator och elektrokatalysator för att reducera koldioxid till andra kemiska produkter som kolmonoxid och metan i olika studier. Dock, det står inför flera begränsningar i reduktionsprocessen, inklusive dess underlägsna stabilitet och den icke-selektiva reduktionen som orsakar bildandet av en rad olika produkter. Separering och rening av dessa produkter från blandningen kan vara mycket utmanande och detta skapar en teknisk barriär för storskalig tillämpning. Vidare, kopparoxid kan lätt korroderas efter kort belysning och utvecklas till metallisk koppar eller kopparoxid.

Selektiv produktion av ren metan

För att övervinna dessa utmaningar, Dr Ng och hans team syntetiserade en ny fotokatalysator genom att koppla in kopparoxid med kopparbaserade metallorganiska ramverk (MOF). Med denna nya katalysator, teamet kunde manipulera överföringen av elektroner och selektivt producera ren metangas.

De upptäckte att jämfört med kopparoxid utan MOF-skal, kopparoxid med MOF-skal reducerade koldioxid till metan stabilt under synligt ljus med ett nästan fördubblat utbyte. Också, kopparoxid med MOF-skal var mer hållbart och det maximala koldioxidupptaget var nästan sju gånger av den kala kopparoxiden.

Koldioxidupptagningen ökade

Teamet kapslade in de endimensionella (1-D) nanotrådarna av kopparoxid (med en diameter på cirka 400 nm) med det kopparbaserade MOF-yttre skalet på cirka 300 nm i tjocklek. Denna konforma beläggning av MOF på kopparoxid skulle inte blockera ljusskörd av katalysatorn. Förutom, MOF är en bra koldioxidadsorbent. Det gav avsevärda ytareor för koldioxidadsorption och reduktion. Eftersom det var tätt fäst vid kopparoxiden, det medförde en högre koncentration av koldioxid adsorberad på platser nära de katalytiska aktiva platserna, stärka interaktionen mellan koldioxid och katalysatorn.

Dessutom, teamet upptäckte att kopparoxiden stabiliserades av den konforma beläggningen av MOF. De upphetsade laddningarna i kopparoxid vid belysning kan effektivt migrera till MOF. På det här sättet, överdriven ackumulering av exciterade laddningar i katalysatorn som kunde leda till självkorrosion undvek, därmed förlängde katalysatorns livslängd.

Elektroner stannade i MOF med högre chans att få kemiska reaktioner

Dr Wu Hao, den första författaren till tidningen som också kommer från SEE, påpekade en av höjdpunkterna i denna forskning och sa:"Genom att använda den avancerade tidsupplösta fotoluminescensspektroskopin, vi observerade att när elektronerna var exciterade till koppar(I)oxidens ledningsband, de skulle direkt överföras till den lägsta obesatta molekylära orbitalen (LUMO) i MOF och stanna där, men återvände inte snabbt till sitt valensband, som är av lägre energi. Detta skapade en långlivad laddningsavgränsad stat. Därför, elektroner som stannade i MOF skulle ha en högre chans att genomgå kemiska reaktioner."

Utökar förståelsen för relationer mellan MOF och metalloxider

Tidigare, man trodde allmänt att de förbättrade fotokatalytiska aktiviteterna bara inducerades av MOF:s reaktantkoncentrationseffekt och att MOF endast fungerade som en reaktantadsorbent. Dock, Dr. Ngs team avslöjade hur de exciterade laddningarna migrerar mellan kopparoxid och MOF i denna forskning. "MOF har visat sig spela en viktigare roll för att forma reaktionsmekanismen eftersom den förändrar elektronvägen, " sa han. Han påpekade att denna upptäckt har utökat förståelsen av sambanden mellan MOF och metalloxider bortom deras konventionella fysiska/kemiska adsorptionstyp av interaktioner för att underlätta laddningsseparation.

Teamet har ägnat mer än två år åt att utveckla denna effektiva strategi för att omvandla koldioxid. Deras nästa steg blir att ytterligare öka metanproduktionshastigheten och utforska sätt att skala upp både syntesen av katalysatorn och reaktorsystemen. "I hela processen att omvandla koldioxid till metan, den enda energiinsatsen vi har använt var solljus. Vi hoppas i framtiden, koldioxid som släpps ut från fabriker och transporter kan "återvinnas" för att producera gröna bränslen, " avslutade Dr. Ng.