Covalente organische raamwerken (COF's) zijn een speciale klasse materialen die zijn samengesteld uit onderling verbonden organische bouwstenen die bij elkaar worden gehouden door sterke chemische bindingen. Dankzij de gelijkmatig verdeelde atomen en een overvloed aan interne lege ruimte kunnen COF's worden gebruikt als uitgangspunt voor de ontwikkeling van functionele, op koolstof gebaseerde materialen.

Wanneer ze worden blootgesteld aan hoge temperaturen, verliezen COF's hun tweedimensionale (2D) platte vorm en worden ze een driedimensionale (3D) structuur. Om de kooldioxidereductie (CO₂ RR) katalysatoren met grote porositeit, hoge geleidbaarheid en overvloed aan randplaatsen voor gedoteerde heteroatomen, is de structuurcontrole van COF-afgeleide koolstof van cruciaal belang, maar wordt nog steeds onderbelicht.

Een onderzoeksgroep onder leiding van prof. Zeng Gaofeng en Xu Qing van het Shanghai Advanced Research Institute (SARI) van de Chinese Academie van Wetenschappen, in samenwerking met prof. He Yue van de Shanghai Jiao Tong Universiteit, heeft met behulp van een sjabloonsynthesestrategie een van COF afgeleide koolstofatomen in verschillende afmetingen om CO₂ te katalyseren RR. Het onderzoek is gepubliceerd in SusMat .

De onderzoekers synthetiseerden de 1D tot 3D COF-afgeleide koolstofatomen met behulp van de template-pyrolysemethoden. Voor de 1D-koolstof werd een laag COF's afgezet op koolstofnanobuisjes (CNT's) als sjabloon, terwijl voor de 2D-koolstof COF's werden afgezet op grafeen (Gr).

De onderzoekers carboniseerden ook rechtstreeks de COF-voorloper om 3D-koolstof te creëren. De COF-voorloper die in de experimenten werd gebruikt, was TP-BPY-COF, dat werd gesynthetiseerd uit specifieke chemicaliën met behulp van solvothermische methoden.

EXAFS-spectra lieten zien dat de resulterende, van COF afgeleide koolstofmaterialen veel stikstofplaatsen (N) bevatten, die fungeerden als katalytische centra, vooral in de vorm van CoN₅ . Van de verschillende geteste katalysatoren vertoonde de op 1D COF gebaseerde katalysator uitzonderlijke prestaties dankzij zijn sterke affiniteit voor CO₂ , een groter aantal defecte locaties en superieure elektronische geleidbaarheid. Deze eigenschappen resulteerden in een hogere CO₂ RR-activiteit en selectiviteit naar het gewenste product (CO), vergeleken met de 2D- en 3D-katalysatoren.

De bevindingen van dit onderzoek laten niet alleen zien hoe belangrijk het is om de structuur van COF-afgeleide koolstoffen aan te passen om hun effectiviteit als katalysatoren in CO₂ te vergroten. reductiereacties, maar bieden ook een nieuw perspectief om efficiënte op COF gebaseerde katalysatoren te ontwikkelen. Door COF-afgeleide koolstofmaterialen te gebruiken als katalysatoren voor CO₂ elektroreductie, CO₂ kunnen potentieel worden omgezet in waardevolle chemische verbindingen of zelfs hernieuwbare brandstoffen.

Meer informatie: Guojuan Liu et al, Dimensionale engineering van covalente organische raamwerken afgeleide koolstofatomen voor elektrokatalytische kooldioxidereductie, SusMat (2023). DOI:10.1002/sus2.167

Aangeboden door de Chinese Academie van Wetenschappen