Kooldioxide (CO ₂ ) is een van de belangrijkste broeikasgassen die de opwarming van de aarde veroorzaken. Als koolstofdioxide zou kunnen worden omgezet in energie, het zou twee vliegen in één klap slaan bij het aanpakken van milieuproblemen. Een gezamenlijk onderzoeksteam onder leiding van de City University of Hong Kong (CityU) heeft een nieuwe fotokatalysator ontwikkeld die methaanbrandstof (CH ₄ ) selectief en effectief uit kooldioxide met behulp van zonlicht. Volgens hun onderzoek de geproduceerde hoeveelheid methaan was in de eerste 8 uur van het reactieproces bijna verdubbeld.

Het onderzoek werd geleid door Dr. Ng Yun-hau, Universitair hoofddocent aan de School of Energy and Environment (SEE), in samenwerking met onderzoekers uit Australië, Maleisië en het Verenigd Koninkrijk. Hun bevindingen zijn onlangs gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Angewandte Chemie, getiteld "Metaal-organische raamwerken versierde koperoxide nanodraden voor langlevende ladingen toegepast in selectieve fotokatalytische CO ₂ Reductie tot CH ₄ ".

Op de natuur geïnspireerde fotokatalyse

"Geïnspireerd door de fotosynthese in de natuur, koolstofdioxide kan nu effectief worden omgezet in methaanbrandstof door onze nieuw ontworpen katalysator op zonne-energie, wat de CO2-uitstoot zal verminderen. Verder, deze nieuwe katalysator is gemaakt van op koper gebaseerde materialen, die overvloedig en dus betaalbaar is, " zei Dr. Ng.

Hij legde uit dat het thermodynamisch uitdagend is om koolstofdioxide om te zetten in methaan met behulp van een fotokatalysator, omdat het chemische reductieproces een gelijktijdige overdracht van acht elektronen omvat. Koolmonoxide, die schadelijk is voor de mens, wordt vaker tijdens het proces geproduceerd omdat het alleen de overdracht van twee elektronen vereist.

Hij wees erop dat koperoxide (Cu ₂ O), een halfgeleidend materiaal, is in verschillende onderzoeken toegepast als zowel fotokatalysator als elektrokatalysator om kooldioxide te reduceren tot andere chemische producten zoals koolmonoxide en methaan. Echter, het wordt geconfronteerd met verschillende beperkingen in het reductieproces, inclusief de inferieure stabiliteit en de niet-selectieve reductie die de vorming van een reeks verschillende producten veroorzaakt. Het scheiden en zuiveren van deze producten uit het mengsel kan een grote uitdaging zijn en dit vormt een technologische barrière voor grootschalige toepassing. Verder, cupro-oxide kan gemakkelijk worden aangetast na korte verlichting en evolueren naar metallisch koper of koperoxide.

Selectieve productie van puur methaan

Om deze uitdagingen te overwinnen, Dr. Ng en zijn team hebben een nieuwe fotokatalysator gesynthetiseerd door koperoxide te omhullen met op koper gebaseerde metaal-organische raamwerken (MOF's). Met behulp van deze nieuwe katalysator, het team kon de overdracht van elektronen manipuleren en selectief zuiver methaangas produceren.

Ze ontdekten dat in vergelijking met koperoxide zonder MOF-schaal, cupro-oxide met MOF-schaal reduceerde koolstofdioxide stabiel tot methaan onder bestraling met zichtbaar licht met een bijna verdubbelde opbrengst. Ook, cupro-oxide met MOF-schaal was duurzamer en de maximale kooldioxide-opname was bijna zeven keer die van het blote cupro-oxide.

Opname van kooldioxide verhoogd

Het team heeft de eendimensionale (1-D) cupro-oxide-nanodraden (met een diameter van ongeveer 400 nm) ingekapseld met de op koper gebaseerde MOF-buitenschaal van ongeveer 300 nm dik. Deze conforme coating van MOF op cupro-oxide zou de lichtoogst van de katalysator niet blokkeren. Daarnaast, MOF is een goed kooldioxide-adsorbens. Het verschafte aanzienlijke oppervlakten voor adsorptie en reductie van kooldioxide. Omdat het nauw verbonden was met het koperoxide, het bracht een hogere concentratie kooldioxide geadsorbeerd op locaties in de buurt van de katalytische actieve plaatsen, versterking van de interactie tussen koolstofdioxide en de katalysator.

Bovendien, het team ontdekte dat het koperoxide werd gestabiliseerd door de conforme coating van MOF. De geëxciteerde ladingen in cupro-oxide bij belichting zouden efficiënt naar de MOF kunnen migreren. Op deze manier, overmatige ophoping van aangeslagen ladingen in de katalysator die tot zelfcorrosie zou kunnen leiden, werd vermeden, vandaar verlengde de levensduur van de katalysator.

Elektronen bleven in MOF met een grotere kans op chemische reacties

Dr. Wu Hao, de eerste auteur van het artikel die ook uit SEE komt, wees op een van de hoogtepunten van dit onderzoek en zei:"Door gebruik te maken van de geavanceerde in de tijd opgeloste fotoluminescentiespectroscopie, we zagen dat zodra de elektronen waren geëxciteerd naar de geleidingsband van het cupro-oxide, ze zouden direct worden overgebracht naar de laagste onbezette moleculaire orbitaal (LUMO) van de MOF en daar blijven, maar keerden niet snel terug naar hun valentieband, die van lagere energie is. Hierdoor ontstond een langlevende ladingsgescheiden toestand. Daarom, elektronen die in de MOF bleven, zouden een grotere kans hebben om chemische reacties te ondergaan."

Vergroot het begrip van relaties tussen MOF's en metaaloxiden

Eerder, algemeen werd aangenomen dat de verbeterde fotokatalytische activiteiten alleen werden geïnduceerd door MOF's reactantconcentratie-effect en MOF diende alleen als een reactantadsorbens. Echter, Het team van Dr. Ng onthulde hoe de opgewonden ladingen migreren tussen koperoxide en MOF in dit onderzoek. "Het is bewezen dat MOF een belangrijkere rol speelt bij het vormgeven van het reactiemechanisme omdat het de elektronenroute verandert, " zei hij. Hij wees erop dat deze ontdekking het begrip van relaties tussen MOF's en metaaloxiden heeft uitgebreid tot voorbij hun conventionele fysische / chemische adsorptietype interacties om ladingsscheiding te vergemakkelijken.

Het team heeft meer dan twee jaar besteed aan het ontwikkelen van deze effectieve strategie voor het omzetten van kooldioxide. Hun volgende stap zal zijn om de methaanproductie verder te verhogen en manieren te onderzoeken om zowel de synthese van de katalysator als de reactorsystemen op te schalen. "In het hele proces van het omzetten van koolstofdioxide in methaan, de enige energie-input die we hebben gebruikt, was zonlicht. Wij hopen in de toekomst, koolstofdioxide uitgestoten door fabrieken en transport kan worden 'gerecycleerd' om groene brandstoffen te produceren, " concludeerde Dr. Ng.