Anidride carbonica (CO ₂ ) è uno dei principali gas a effetto serra che causano il riscaldamento globale. Se l'anidride carbonica potesse essere convertita in energia, sarebbe prendere due piccioni con una fava nell'affrontare le questioni ambientali. Un gruppo di ricerca congiunto guidato dalla City University di Hong Kong (CityU) ha sviluppato un nuovo fotocatalizzatore in grado di produrre carburante metano (CH ₄ ) in modo selettivo ed efficace dall'anidride carbonica utilizzando la luce solare. Secondo la loro ricerca, la quantità di metano prodotta è stata quasi raddoppiata nelle prime 8 ore del processo di reazione.

La ricerca è stata guidata dal Dr. Ng Yun-hau, Professore Associato presso la Scuola di Energia e Ambiente (SEE), in collaborazione con ricercatori australiani, Malesia e Regno Unito. I loro risultati sono stati recentemente pubblicati sulla rivista scientifica Angewandte Chemie, intitolato "Strutture metallo-organiche decorate con nanofili di ossido rameoso per cariche di lunga durata applicate in CO fotocatalitica selettiva ₂ Riduzione a CH ₄ ".

Fotocatalisi ispirata alla natura

"Ispirato dalla fotosintesi in natura, l'anidride carbonica può ora essere convertita efficacemente in carburante metano dal nostro catalizzatore a energia solare di nuova concezione, che ridurrà le emissioni di carbonio. Per di più, questo nuovo catalizzatore è realizzato con materiali a base di rame, che è abbondante e quindi abbordabile, " ha detto il dottor Ng.

Ha spiegato che è termodinamicamente difficile convertire l'anidride carbonica in metano usando un fotocatalizzatore perché il processo di riduzione chimica comporta un trasferimento simultaneo di otto elettroni. Monossido di carbonio, che è dannoso per l'uomo, è più comunemente prodotto nel processo perché richiede il trasferimento di soli due elettroni.

Ha sottolineato che l'ossido rameoso (Cu ₂ o), un materiale semiconduttore, è stato applicato sia come fotocatalizzatore che come elettrocatalizzatore per ridurre l'anidride carbonica in altri prodotti chimici come il monossido di carbonio e il metano in diversi studi. Però, affronta diversi limiti nel processo di riduzione, compresa la sua stabilità inferiore e la riduzione non selettiva che provoca la formazione di una matrice di vari prodotti. La separazione e la purificazione di questi prodotti dalla miscela può essere molto impegnativa e ciò impone una barriera tecnologica per l'applicazione su larga scala. Per di più, l'ossido rameoso può essere facilmente corroso dopo una breve illuminazione ed evolvere in rame metallico o ossido di rame.

Produzione selettiva di metano puro

Per superare queste sfide, Il Dr. Ng e il suo team hanno sintetizzato un nuovo fotocatalizzatore avvolgendo l'ossido rameoso con strutture metallo-organiche (MOF) a base di rame. Utilizzando questo nuovo catalizzatore, il team potrebbe manipolare il trasferimento di elettroni e produrre selettivamente gas metano puro.

Hanno scoperto che rispetto all'ossido rameoso senza guscio MOF, l'ossido rameoso con guscio MOF ha ridotto l'anidride carbonica in metano stabilmente sotto l'irradiazione della luce visibile con una resa quasi raddoppiata. Anche, l'ossido rameoso con guscio MOF era più durevole e l'assorbimento massimo di anidride carbonica era quasi sette volte l'ossido rameoso nudo.

Aumento dell'assorbimento di anidride carbonica

Il team ha incapsulato i nanofili di ossido rameoso unidimensionali (1-D) (con un diametro di circa 400 nm) con il guscio esterno MOF a base di rame di circa 300 nm di spessore. Questo rivestimento conforme di MOF su ossido rameoso non bloccherebbe la raccolta della luce del catalizzatore. Oltretutto, MOF è un buon adsorbente di anidride carbonica. Ha fornito aree superficiali considerevoli per l'assorbimento e la riduzione dell'anidride carbonica. Poiché era strettamente attaccato all'ossido rameoso, ha portato una maggiore concentrazione di anidride carbonica adsorbita in luoghi vicini ai siti attivi catalitici, rafforzare l'interazione tra anidride carbonica e catalizzatore.

Inoltre, il team ha scoperto che l'ossido rameoso è stato stabilizzato dal rivestimento conforme di MOF. Le cariche eccitate nell'ossido rameoso dopo l'illuminazione potrebbero migrare in modo efficiente al MOF. In questo modo, è stato evitato un eccessivo accumulo di cariche eccitate all'interno del catalizzatore che potrebbe portare all'autocorrosione, quindi ha esteso la vita del catalizzatore.

Gli elettroni sono rimasti in MOF con maggiori possibilità di avere reazioni chimiche

Dottor Wu Hao, il primo autore dell'articolo che è anche da SEE, ha sottolineato uno dei punti salienti di questa ricerca e ha affermato:"Utilizzando la spettroscopia di fotoluminescenza risolta nel tempo avanzata, abbiamo osservato che una volta eccitati gli elettroni alla banda di conduzione dell'ossido rameoso, sarebbero stati trasferiti direttamente all'orbitale molecolare più basso non occupato (LUMO) del MOF e vi sarebbero rimasti, ma non tornarono presto alla loro banda di valenza, che è di energia inferiore. Questo ha creato uno stato separato dalla carica di lunga durata. Perciò, gli elettroni rimasti nel MOF avrebbero una maggiore possibilità di subire reazioni chimiche".

Estende la comprensione delle relazioni tra MOF e ossidi metallici

In precedenza, si credeva generalmente che le attività fotocatalitiche migliorate fossero semplicemente indotte dall'effetto di concentrazione del reagente del MOF e che il MOF servisse solo come adsorbente del reagente. Però, Il team del Dr. Ng ha svelato come le cariche eccitate migrano tra l'ossido rameoso e il MOF in questa ricerca. "Il MOF ha dimostrato di svolgere un ruolo più significativo nel plasmare il meccanismo di reazione poiché modifica il percorso degli elettroni, Ha detto. Ha sottolineato che questa scoperta ha esteso la comprensione delle relazioni tra MOF e ossidi metallici oltre il loro tipo di assorbimento fisico/chimico convenzionale per facilitare la separazione di carica.

Il team ha impiegato più di due anni per sviluppare questa strategia efficace nella conversione dell'anidride carbonica. Il loro prossimo passo sarà aumentare ulteriormente il tasso di produzione di metano ed esplorare modi per aumentare sia la sintesi del catalizzatore che i sistemi del reattore. "Nell'intero processo di conversione dell'anidride carbonica in metano, l'unico input di energia che abbiamo usato è stata la luce del sole. Speriamo nel futuro, l'anidride carbonica emessa dalle fabbriche e dai mezzi di trasporto può essere "riciclata" per produrre combustibili verdi, " ha concluso il Dott. Ng.