Kooldioxide of CO₂ kan mogelijk worden gebruikt als grondstof om te worden omgezet in koolstofneutrale "zonnebrandstoffen" die energie van de zon opslaan. Maar om te kunnen concurreren met fossiele brandstoffen, heeft de chemische reactie die deze omzetting uitvoert veel efficiëntere katalysatoren nodig. Onderzoekers hebben onlangs een fotokatalysatorstructuur bedacht met geïsoleerde enkele koperatomen in een polymeerraamwerk dat de prestaties van de katalysator radicaal verbetert.

Een beschrijving van de nieuwe katalysator werd gepubliceerd in het tijdschrift Nano Research .

Er zijn een aantal sectoren, zoals de langeafstandsscheepvaart en de luchtvaart, die moeilijk te elektrificeren zijn en daarom zal in de strijd om de klimaatverandering tegen te gaan, een of andere vorm van koolstofneutrale brandstof moeten worden ontwikkeld. Ondertussen is zonne-energie misschien koolstofarm, maar weersafhankelijk. Soms wordt er niet genoeg elektriciteit geproduceerd en soms te veel.

Een elegante oplossing die beide problemen zou kunnen verhelpen, is de omzetting van zonne-energie in synthetische brandstoffen. Door atmosferisch CO₂ . naar beneden te halen en door het te gebruiken als grondstof in combinatie met waterstof geproduceerd door de splitsing van watermoleculen, kunnen koolstofneutrale versies van koolwaterstoffen in een fabriek worden geproduceerd. Dit slaat in feite zonne-energie op voor later gebruik wanneer de zon niet schijnt of als schone brandstof die werkt in moeilijk te elektrificeren sectoren (en daarbuiten).

Een van de grote uitdagingen voor deze visie van zonne-energie, die nabootst hoe planten zonlicht omzetten in energie, is het verhogen van de efficiëntie van de betrokken chemische reacties genoeg om de kosten van het eindproduct concurrerend te maken met vuile fossiele brandstoffen.

De sleutel tot het bereiken van dergelijke efficiëntie is het produceren van betere katalysatoren, stoffen die de chemische reactie versnellen. Het belangrijkste doel was om de concentratie van plaatsen op katalysatormoleculen waar een reactie kan plaatsvinden te maximaliseren om de efficiëntie te verbeteren en tegelijkertijd verspilling te verminderen.

In de afgelopen tien jaar heeft de onderzoeksgemeenschap op het gebied van katalysatoren haar aandacht steeds meer gericht op single-atom katalysatoren (SAC's) met als doel een belangrijke impuls te geven aan allerlei industriële processen, niet alleen de fotokatalyse die nodig is voor zonne-naar-brandstoffen . SAC's zijn katalysatoren waarbij alle metaalatomen die bij de reactie betrokken zijn, voorkomen als geïsoleerde afzonderlijke atomen, verspreid op een stevig ondersteunend raamwerk. Deze enkele metaalatomen zijn ook typisch positief geladen. Als gevolg van deze ongebruikelijke geometrische en elektronische structuur kunnen SAC's de katalyse-efficiëntie radicaal verbeteren.

Het gebied van SAC-onderzoek en -ontwikkeling is de afgelopen jaren geëxplodeerd, grotendeels dankzij de komst van geavanceerde beeldvormings- en röntgenspectroscopische methoden. Hierdoor konden scheikundigen zeer gedetailleerde beelden maken van SAC's in actie, zelfs terwijl de reactie plaatsvindt, waardoor ze beter kunnen begrijpen wat er gebeurt en nieuwe hypothesen kunnen testen. Daarnaast hebben moderne technieken van chemische synthese de constructie mogelijk gemaakt van zeer fijn op maat gemaakte SAC's die geschikt zijn voor een gewenst proces.

"De afgelopen jaren zijn er veel verschillende SAC's voor andere chemische reacties ontwikkeld, wat een revolutie teweeg heeft gebracht in katalytische prestaties", zegt Jiangwei Zhang, co-auteur van het artikel en chemisch fysicus bij het Advanced Chemical Engineering and Energy Materials Research Center aan de China University of Petroleum in Qingdao, "en nu was het de beurt aan fotokatalysatoren voor de productie van zonnebrandstof."

De onderzoekers construeerden een SAC met een covalente op triazine gebaseerde framestructuur (CTF) die enkele koperatomen verankert. CTF's zijn een relatief nieuwe klasse polymeren (reeksen van zeer grote moleculen) waarvan al was aangetoond dat ze de fotokatalytische watersplitsingsprestaties verbeteren. Door CTF's te combineren met enkele koperatomen, wilden de chemici een zeer poreuze structuur leveren (om het aantal beschikbare plaatsen waar de relevante chemische reactie kan plaatsvinden te vergroten) en maximale atomaire efficiëntie te leveren. Ze noemen deze formulering Cu-SA/CTF.

Ze waren in staat om de enkele Cu-atomen te visualiseren door middel van ringvormige donkerveld scanning transmissie-elektronenmicroscopiebeelden (HAADF-STEM) met een hoge hoek. En de structuur van plaatsen waar reacties plaatsvinden, werd onthuld door uitgebreide X-ray Absorption Fine Structure (EXAFS)-analyses.

Met deze informatie konden de onderzoekers vervolgens de prestaties van de Cu-SA/CTF-fotokatalysatoren testen en onderzoeken wat er op atomair niveau gebeurde. Ze ontdekten dat de toevoeging van de enkele koperatomen aan de structuur de katalysatoren een verhoogd vermogen had gegeven om CO₂ te adsorberen. (plak de CO₂ aan zichzelf om de chemische reactie uit te voeren), en versterkte de respons op het zichtbare licht dat het proces aanstuurt, en leverde een aantal andere verbeteringen op. Samen zorgde dit voor een aanzienlijke verbetering van de conversie van CO₂ en water in methaanbrandstof.

Als resultaat waren de onderzoekers in staat om richtlijnen te ontwikkelen voor het ontwerpen op atomaire schaal van andere robuuste fotokatalysatoren voor de omzetting van CO₂ in andere nuttige stoffen. + Verder verkennen

Koper-zilver-goud nanostructuur geeft koolstofopname-en-gebruik een boost