Fotoreduktion av CO₂ till transportabelt bränsle som myrsyra (HCOOH) är ett utmärkt sätt att hantera CO₂ s stigande nivåer i atmosfären. För att underlätta detta uppdrag valde ett forskarlag från Tokyo Tech ett lättillgängligt järnbaserat mineral och laddade det på ett aluminiumoxidstöd för att utveckla en katalysator som effektivt kan omvandla CO₂ till HCOOH med ~90% selektivitet.

Den stigande CO₂ nivåerna i vår atmosfär och deras bidrag till den globala uppvärmningen är nu vanliga nyheter. När forskare experimenterar med olika sätt att bekämpa detta problem har en effektiv lösning dykt upp – att omvandla överskott av atmosfärisk CO₂ till energirika kemikalier.

Produktion av bränslen som myrsyra (HCOOH) genom fotoreduktion av CO₂ under solljus har rönt mycket uppmärksamhet nyligen på grund av den tvåfaldiga fördelen som kan uppnås med denna process:den kan minska överskottet av CO₂ utsläpp, och även bidra till att minimera den energibrist vi för närvarande står inför. Eftersom HCOOH är en utmärkt bärare av väte med hög energitäthet, kan HCOOH ge energi via förbränning samtidigt som det bara frigör vatten som en biprodukt.

För att förvandla denna lukrativa lösning till verklighet utvecklade forskare fotokatalytiska system som kunde minska CO₂ med hjälp av solljus. Ett sådant system består av ett ljusabsorberande substrat (d.v.s. en fotosensibilisator) och en katalysator som kan möjliggöra de multi-elektronöverföringar som krävs för att reducera CO₂ till HCOOH. Och därmed började sökandet efter en lämplig och effektiv katalysator.

Fasta katalysatorer ansågs vara de bästa kandidaterna för denna uppgift, på grund av deras effektivitet och potentiella återvinningsbarhet, och genom åren har katalytiska förmågor hos många kobolt-, mangan-, nickel- och järnbaserade metallorganiska ramverk (MOF) undersökts, med den senare har vissa fördelar jämfört med andra metaller. De flesta av de hittills rapporterade järnbaserade katalysatorerna ger dock bara kolmonoxid som huvudprodukt, istället för HCOOH.

Detta problem löstes dock snart av ett team av forskare från Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) under ledning av prof. Kazuhiko Maeda. I en nyligen publicerad studie publicerad i Angewandte Chemie , presenterade teamet en aluminiumoxid (Al₂ O₃ )-stödd, järnbaserad katalysator som använder alfa-järn(III)oxihydroxid (α-FeOOH; geotit). Den nya α-FeOOH/Al₂ O₃ katalysator visade överlägsen CO₂ till HCOOH-omvandlingsegenskaper tillsammans med utmärkt återvinningsbarhet. På frågan om deras val av katalysator, säger Prof. Maeda, "Vi ville utforska mer rikliga grundämnen som katalysatorer i en CO₂ fotoreduktionssystem. Vi behöver en solid katalysator som är aktiv, återvinningsbar, giftfri och billig, vilket är anledningen till att vi valde ett utbrett jordmineral som goethit för våra experiment."

Teamet antog en enkel impregneringsmetod för att syntetisera sin katalysator. De använde då den järnbelastade Al₂ O₃ material för fotokatalytisk reduktion av CO₂ vid rumstemperatur i närvaro av en ruteniumbaserad (Ru) fotosensibilisator, en elektrondonator och synligt ljus med en våglängd över 400 nanometer.

Resultaten var ganska uppmuntrande; deras system visade 80-90 % selektivitet mot huvudprodukten, HCOOH, och ett kvantutbyte på 4,3 % (vilket indikerar systemets effektivitet).

Denna studie presenterar en första i sitt slag, järnbaserad fast katalysator som kan generera HCOOH när den åtföljs av en effektiv fotosensibilisator. Den undersöker också vikten av ett korrekt stödmaterial (Al₂ O₃ ) och dess effekt på den fotokemiska reduktionsreaktionen.

Insikterna från denna forskning kan hjälpa till med utvecklingen av nya katalysatorer – fria från ädelmetaller – för fotoreduktion av CO₂ till andra användbara kemikalier. "Vår studie visar att vägen till en grönare energiekonomi inte behöver vara komplicerad. Bra resultat kan uppnås även genom att använda enkla metoder för framställning av katalysatorer och välkända, jordnära föreningar kan användas som selektiva katalysatorer för CO₂ reduktion, om de stöds av föreningar som aluminiumoxid", avslutar Prof. Maeda. + Utforska vidare

Minska koldioxid med en pankromatisk osmiumkomplex fotosensibilisator