Onderzoekers van de National University of Singapore (NUS) hebben een microporeus covalent organisch raamwerk ontwikkeld met dichte donor-acceptorroosters en technische koppelingen voor de efficiënte en schone productie van waterstofperoxide (H₂ O₂ ) door het fotosyntheseproces met water en lucht.

Traditionele industriële productie van H₂ O₂ via het antrachinonproces met behulp van waterstof en zuurstof is zeer energie-intensief. Deze aanpak maakt gebruik van giftige oplosmiddelen en dure edelmetaalkatalysatoren en genereert aanzienlijk afval uit nevenreacties.

Daarentegen fotokatalytische productie van H₂ O₂ uit zuurstof en water biedt een energiezuinige, milde en schone route. Het allerbelangrijkste is dat het de algemene nadelen van bestaande fotokatalytische systemen aanpakt, zoals lage activiteit, intensief gebruik van extra alcoholopofferende donoren en de noodzaak van zuivere zuurstoftoevoer.

Een onderzoeksteam onder leiding van professor Jiang Donglin van het NUS-departement scheikunde heeft een nieuw type fotokatalysator ontwikkeld voor de efficiënte kunstmatige fotosynthese van H₂ O₂ uit water en lucht. De onderzoekers construeerden zeswaardige covalente organische raamwerken (COF's) waarin het skelet is ontworpen als donor-acceptor π-kolommen voor snelle foto-geïnduceerde ladingsgeneratie en katalytisch actieve sites.

Tegelijkertijd is de porie ontworpen met hydraulisch gevoelige trigonale microporeuze kanalen voor onmiddellijke levering van reactanten water en zuurstof. Als resultaat produceren deze zeswaardige COF's H₂ O₂ spontaan en efficiënt uit water en atmosferische lucht bij blootstelling aan zichtbaar licht in zowel batch- als flowreactoren.

Onder laboratoriumomstandigheden vertonen de COF's een kwantumefficiëntie van 17,5 procent onder zichtbaar licht bij 420 nm in batchreactoren. Dit systeem kan worden ontwikkeld voor de constructie van zelfreinigende oppervlakken en voor desinfectiebehandelingen.

De onderzoeksresultaten zijn gepubliceerd in Nature Catalysis .

Professor Jiang zei:"In dit werk hebben we met succes een belangrijk en veel voorkomend probleem bij fotokatalysatoren, elektrokatalysatoren en heterogene katalysatoren aangepakt, namelijk de efficiënte levering van ladingen en massa aan katalytische locaties. Onze focus op nauwkeurig structureel ontwerp op atomair niveau om het onderzoeken van zowel de skeletten als de poriën van COF's heeft geleid tot de creatie van een kunstmatig fotosynthesesysteem voor H₂ O₂ productie, waardoor een ongekende fotokatalytische efficiëntie wordt bereikt."

Meer informatie: Ruoyang Liu et al, Door koppelingen ontworpen covalente organische raamwerken voor donor-acceptor voor optimale fotosynthese van waterstofperoxide uit water en lucht, Natuurkatalyse (2024). DOI:10.1038/s41929-023-01102-3

Aangeboden door de Nationale Universiteit van Singapore