Met de aanhoudende uitputting van fossiele brandstoffen, de toename van broeikasgassen, de kwestie van hoe schoon te maken, veilige en betaalbare energie blijft een belangrijk punt van zorg.

Na baanbrekend werk van Nobelprijswinnaar Jean-Marie Lehn en anderen in de jaren tachtig, fotokatalysatoren - materialen die licht omzetten in energie - worden steeds vaker onderzocht als een efficiënte manier om koolstofdioxide (CO2) af te breken tot bruikbare, hoogenergetische moleculen. In vergelijking met conventionele benaderingen zoals thermische katalyse, bijvoorbeeld, fotokatalysatoren hebben het voordeel dat ze geen dure procedures zoals hoge temperaturen en drukken vereisen.

Nutsvoorzieningen, een onderzoeksteam onder leiding van Kazuhiko Maeda van Tokyo Tech heeft een nieuw nanomateriaal ontwikkeld dat in staat is om CO2 te verminderen met een selectiviteit (Term.a) van 99% en een omzet (Term.b) van meer dan 2000, beter presteren dan bestaande methoden.

Deze resultaten zijn het hoogst geregistreerd onder zichtbaar licht en in water, het team van Maeda een stap dichter bij het doel van kunstmatige fotosynthese brengen:het ontwerpen van systemen die het natuurlijke proces van het gebruik van zonlicht nabootsen, water en CO2 voor duurzame energieproductie.

Het nieuwe materiaal, gerapporteerd in Angewandte Chemie , bestaat uit koolstofnitride-nanobladen met een groot oppervlak gecombineerd met een metalen structuur die bekend staat als een tweekernig ruthenium (II) -complex (RuRu'). Hoewel bekend is dat verschillende soorten metaalcomplexen CO2-reductie bevorderen, Maeda zegt dat RuRu' momenteel "de best presterende" is, maar in de toekomst moet worden vervangen door edelmetaalvrije tegenhangers.

Wat het materiaal uniek maakt, is de mate waarin de RuRu' zich bindt aan het oppervlak van de nanosheet. Sterke binding verbetert de elektronenoverdracht, wat op zijn beurt de CO2-reductie verbetert. In de studie, tot 70% van de RuRu' bleek aan de nanosheets te zijn bevestigd - een ongekend aantal, Maeda legt uit, aangezien men denkt dat het koolstofnitride-oppervlak chemisch inert is. "Dit was een grote verrassing in onze onderzoeksgemeenschap, " hij zegt.

Ook, prestaties te optimaliseren, Maeda's team heeft de nanosheets aangepast met zilver, die een belangrijke rol speelt bij het verbeteren van de efficiëntie van elektronenvangst en -overdracht.

Het onderzoek opent nieuwe mogelijkheden voor op koolstofnitride gebaseerde fotokatalysatoren, omdat ze niet alleen in water werken, maar ook in verschillende organische oplosmiddelen, die kunnen worden omgezet in chemicaliën met toegevoegde waarde, zoals aldehyden in de chemische industrie.

"Tot voorkort, het leek onmogelijk om CO2-reductie onder zichtbaar licht in waterige oplossing met hoge efficiëntie te bereiken, ", zegt Maeda. "Ons nieuwe resultaat toont duidelijk aan dat dit inderdaad mogelijk is, zelfs met behulp van een goedkoop materiaal op basis van koolstofnitride."

Een van de volgende uitdagingen voor Maeda's team is het ontwerpen van fotokatalysatoren die bestaan ​​uit aardrijke metalen zoals ijzer en koper in plaats van het zeldzame metaal ruthenium.