Пробив в разграждането на въглероден диоксид с висока ефективност

Фигура 1: Метод на синтез за нов трикомпонентен фотокатализатор. Въглеродна нанотръба, капсулираща йодни молекули, потопена във воден разтвор на сребърен нитрат (AgNO3) за получаване на композитния фотокатализатор. Кредит: Шинджи Кавасаки и Юсуке Иши от Технологичния институт в Нагоя

Учените намират начин за ефективно използване на видимата слънчева светлина за разграждане на въглеродния диоксид, отваряйки врати за нови начини за смекчаване на глобалното затопляне.

въглероден диоксид (CO₂) Емисиите от човешки дейности са нараснали драстично през последните век и половина и се разглеждат като основната причина за глобалното затопляне и ненормалните метеорологични модели. Следователно, в редица области се съсредоточи значителен фокус върху намаляването на нашия въглероден диоксид₂ емисии и атмосферни нива. Една обещаваща стратегия е химическото разлагане или „намаляване“ на въглеродния диоксид₂ Използване на фотокатализатори – съединения, които абсорбират светлинната енергия и я осигуряват за реакции, ускорявайки ги. С тази стратегия CO2 се намалява чрез използване на слънчева енергия₂, където не се използва друг изкуствен източник на енергия, става възможно, отваряйки вратите към устойчив път към устойчиво бъдеще.

Екип от учени, ръководени от д-р. Shinji Kawasaki и Yusuke Ishii от Технологичния институт в Нагоя, Япония, бяха в челните редици на усилията за постигане на ефективност на CO2 с помощта на слънчевата енергия.₂ отстъпка. Последното им откритие е публикувано в списание Nature Научни доклади.

Фигура 2: Механизъм на новия трикомпонентен фотокатализатор. Фотовъзбуденият електрон преминава от сребърен йодид (AgI) по въглеродните нанотръби до сребърен йодид (AgIO3), където въглеродният диоксид (CO2) се редуцира до въглероден оксид (CO). Кредит: Шинджи Кавасаки и Юсуке Иши от Технологичния институт в Нагоя

Изследванията им започнаха с необходимостта от решаване на проблема с ограничената приложимост на сребърния йодат (AgIO₃), фотокатализатор, който е привлякъл голям интерес, тъй като е полезен за CO₂ реакция на редукция. Проблемът е, че AgIO₃ Необходима е много по-висока енергия, отколкото видимата светлина може да осигури, за да функционира като ефективен фотокатализатор; Видимата светлина е по-голямата част от слънчевата радиация.

Учените са се опитали да преодолеят този проблем с ефективността чрез комбиниране на AgIO₃ Използване на сребърен йодид (AgI), който може ефективно да абсорбира и използва видимата светлина. Въпреки това, AgIO₃AgI съединенията имат сложни процеси на синтез, което прави тяхното мащабно производство непрактично. Освен това те нямат структури, които осигуряват ефективни пътища за трансфер на фотовъзбудени електрони (активирани с абсорбция на светлина електрони) от AgI към AgIO.₃, което е ключово за каталитичната активност на съединението.

Фигура 3: Гъвкав полимерен електрод за фотокатализатора. Новата трикомпонентна дисперсия на фотокатализатора може лесно да се пръска върху полимерни филми, за да се получат гъвкави електроди, които могат да се комбинират в много настройки. Кредит: Шинджи Кавасаки и Юсуке Иши от Технологичния институт в Нагоя

„Сега разработихме нов фотокатализатор, включващ едностенни въглеродни нанотръби (SWCNT) с AgIO.₃ и AgI, за да образуват трикомпонентен сложен катализатор, казва д-р Кавасаки, „Ролята на SWCNT е мултимодална. Тя решава проблемите на синтеза и пътя на електронен трансфер.“

Процесът на трикомпонентния синтез е прост и включва само две стъпки: 1. Капсулиране на йодни молекули в SWCNT с помощта на електрохимичния метод на окисление. 2. Приготвяне на съединението чрез потапяне на продукта от предишния етап във воден разтвор на сребърен нитрат (AgNO.).₃).

Спектроскопските наблюдения, използващи съединението, показват, че по време на процеса на синтез капсулираните йодни молекули получават заряд от SWCNT и се трансформират в специфични йони. След това те реагираха с AgNO₃ За формиране на AgI и AgIO₃ Микрокристали, които поради първоначалните позиции на капсулираните йодни молекули се отлагат равномерно върху всички SWCNT. Експериментален анализ с помощта на симулирана слънчева светлина разкрива, че SWCNT също са действали като проводящ път, през който фотовъзбудените електрони са пътували от AgI до AgIO.₃, което позволява ефективно намаляване на въглеродния диоксид₂ до въглероден оксид (CO).

Включването на SWCNT също така позволява композитната дисперсия да бъде лесно напръскана върху полимер с тънък филм, за да се получат гъвкави фотоелектроди, които са универсални и могат да се използват в различни приложения.

Д-р Иши се надява на потенциала на техния фотокатализатор. „Това може да направи намаляване на слънчевата енергия на индустриалния въглероден диоксид₂ Емисии и въглероден диоксид в атмосферата₂ Това е лесно за мащабиране, устойчиво, възобновяемо енергийно решение, което адресира глобалното затопляне и изменението на климата, правейки живота на хората по-безопасен и по-здравословен.

Екипът казва, че следващата стъпка е да се проучи възможността за използване на фотокатализатор за генериране на слънчев водород. Може би бъдещето на човечеството все пак е светло!

Справка: „Едноетапен синтез на видима светлина CO₂ Редукционен фотокатализатор на капсулирани с йод въглеродни нанотръби ”от Mayar Zubaidi, Kenta Kobayashi, Yusuke Ishii и Shinji Kawasaki, 12 май 2021 г. Научни доклади.
DOI: 10.1038 / s41598-021-89706-2