Forskare konstruerade en enatomskatalysator (SAC) med en kovalent triazinbaserad ram med vilken fotokatalytisk CO2 omvandlades till solbränsle. Den framställda fotokatalysatorn uppvisade enastående aktivitet och selektivitet. Kredit:Nano Research, Tsinghua University Press
Koldioxid eller CO2 kan potentiellt användas som råmaterial för att omvandlas till kolneutrala "solbränslen" som lagrar energi från solen. Men för att de ska vara konkurrenskraftiga med fossila bränslen behöver den kemiska reaktionen som utför denna omvandling mycket effektivare katalysatorer. Forskare har nyligen kommit fram till en fotokatalysatorstruktur som involverar isolerade enstaka kopparatomer i en polymerram som radikalt förbättrar katalysatorns prestanda.
En beskrivning av den nya katalysatorn publicerades i tidskriften Nano Research .
Det finns ett antal sektorer, som långdistanssjöfart och flyg, som är svåra att elektrifiera och så i kampen för att mildra klimatförändringarna kommer någon form av koldioxidneutralt bränsle att behöva utvecklas. Samtidigt kan solenergi vara koldioxidsnål, men är väderberoende. Ibland produceras inte tillräckligt med el och ibland för mycket.
En elegant lösning som skulle kunna lindra båda problemen är omvandlingen av solenergi till syntetiska bränslen. Genom att dra ner atmosfärisk CO2 och genom att använda det som ett råmaterial kombinerat med väte som produceras genom spjälkning av vattenmolekyler, kan kolneutrala versioner av kolväten tillverkas i en fabrik. Detta lagrar i själva verket solenergi för användning senare när solen inte skiner eller som ett rent bränsle som fungerar i svårelektrifierade sektorer (och bortom).
En av de stora utmaningarna för denna sol-till-bränsle-vision som efterliknar hur växter förvandlar solljus till energi, är att öka effektiviteten hos de kemiska reaktionerna som är inblandade tillräckligt för att göra slutproduktkostnaden konkurrenskraftig med smutsiga fossila bränslen.
Nyckeln till att uppnå sådana effektivitetsvinster är att producera bättre katalysatorer, ämnen som påskyndar den kemiska reaktionen. Huvudsyftet har varit att maximera koncentrationen av platser på katalysatormolekyler där en reaktion kan ske för att förbättra effektiviteten samtidigt som avfallet minskar.
Under det senaste decenniet eller så har katalysatorforskningssamhället alltmer riktat sin uppmärksamhet mot single-atom catalysts (SAC) i syfte att ge ett stort uppsving för alla typer av industriella processer, inte bara den fotokatalys som behövs av sol-till-bränsle. . SAC är katalysatorer där alla metallatomer som är involverade i reaktionen existerar som isolerade enstaka atomer dispergerade på ett fast bärande ramverk. Dessa enstaka metallatomer är också vanligtvis positivt laddade. Som ett resultat av denna ovanliga geometriska och elektroniska struktur kan SAC:er radikalt förbättra katalyseffektiviteten.
Området för SAC-forskning och -utveckling har exploderat de senaste åren, till stor del tack vare ankomsten av avancerade avbildnings- och röntgenspektroskopiska metoder. Dessa har gjort det möjligt för kemister att producera mycket detaljerade bilder av SAC i aktion - även när reaktionen äger rum, vilket gör att de bättre kan förstå vad som händer och testa nya hypoteser. Parallellt med detta har moderna tekniker för kemisk syntes möjliggjort konstruktion av mycket fint skräddarsydda SACs lämpliga för en önskad process.
"Många olika SAC för andra kemiska reaktioner har utvecklats under de senaste åren, vilket ger en revolution i katalytisk prestanda", säger Jiangwei Zhang, medförfattare till tidningen och en kemisk fysiker vid Advanced Chemical Engineering and Energy Materials Research Center vid China University of Petroleum i Qingdao, "och nu var det fotokatalysatorernas tur för produktion av solbränsle."
Forskarna konstruerade en SAC med en kovalent triazinbaserad ramstruktur (CTF) som förankrar enstaka kopparatomer. CTF:er är en relativt ny klass av polymerer (strängar av mycket stora molekyler) som redan hade visat sig öka den fotokatalytiska vattenuppdelningen. Genom att kombinera CTF:er med enstaka kopparatomer, strävade kemisterna efter att leverera en mycket porös struktur (för att öka antalet tillgängliga platser där den relevanta kemiska reaktionen kan äga rum) och leverera maximal atomverkningsgrad. De kallar denna formulering Cu-SA/CTF.
De kunde visualisera de enstaka Cu-atomerna genom högvinklade ringformade mörkfältsskanningselektronmikroskopbilder (HAADF-STEM). Och strukturen på platser där reaktioner äger rum avslöjades genom analyser av utökad röntgenabsorptionsfinstruktur (EXAFS).
Med denna information kunde forskarna sedan testa prestandan hos Cu-SA/CTF-fotokatalysatorerna och undersöka vad som hände på atomnivå. De fann att tillsatsen av de enskilda kopparatomerna till strukturen hade försett katalysatorerna med en ökad förmåga att adsorbera CO2 (stick fast CO2 för att utföra den kemiska reaktionen), och stärkte responsen på det synliga ljuset som driver processen, samt levererade ett antal andra förbättringar. Tillsammans fungerade detta för att avsevärt förbättra omvandlingen av CO2 och vatten till metanbränsle.
Som ett resultat kunde forskarna utveckla riktlinjer för att på atomär skala designa andra robusta fotokatalysatorer för omvandling av CO2 till andra användbara ämnen. + Utforska vidare
