I ricercatori hanno costruito un catalizzatore a singolo atomo (SAC) con una struttura covalente a base di triazina con cui fotocatalitica CO2 è stato convertito in combustibile solare. Il fotocatalizzatore preparato mostrava attività e selettività preminenti. Credito:Nano Research, Tsinghua University Press
Anidride carbonica o CO2 può essere potenzialmente utilizzato come materia prima da convertire in "combustibili solari" a emissioni zero che immagazzinano energia dal sole. Ma per essere competitivi con i combustibili fossili, la reazione chimica che esegue questa conversione necessita di catalizzatori molto più efficienti. I ricercatori hanno recentemente escogitato una struttura fotocatalizzatore che coinvolge singoli atomi di rame isolati in una struttura polimerica che migliora radicalmente le prestazioni del catalizzatore.
Una descrizione del nuovo catalizzatore è stata pubblicata sulla rivista Nano Research .
Ci sono un certo numero di settori, come il trasporto marittimo a lungo raggio e l'aviazione, che sono difficili da elettrificare e quindi nella battaglia per mitigare il cambiamento climatico, sarà necessario sviluppare una qualche forma di carburante a emissioni zero. Nel frattempo, l'energia solare può essere a basse emissioni di carbonio, ma dipende dalle condizioni meteorologiche. A volte non viene prodotta abbastanza elettricità e altre volte troppa.
Una soluzione elegante che potrebbe migliorare entrambi i problemi è la conversione dell'energia solare in combustibili sintetici. Assorbendo la CO2 atmosferica e utilizzandolo come materia prima combinata con l'idrogeno prodotto dalla scissione delle molecole d'acqua, è possibile produrre in una fabbrica versioni a emissioni zero di idrocarburi. Questo in effetti immagazzina l'energia solare per utilizzarla in seguito quando il sole non splende o come combustibile pulito che funziona in settori difficili da elettrificare (e oltre).
Tuttavia, una delle grandi sfide che deve affrontare questa visione dal solare ai combustibili che imita il modo in cui le piante trasformano la luce solare in energia, è aumentare l'efficienza delle reazioni chimiche coinvolte abbastanza da rendere il costo del prodotto finale competitivo rispetto ai combustibili fossili sporchi.
La chiave per raggiungere tali efficienze è produrre catalizzatori migliori, sostanze che accelerano la reazione chimica. L'obiettivo principale è stato quello di massimizzare la concentrazione dei siti sulle molecole del catalizzatore in cui può aver luogo una reazione per migliorare l'efficienza riducendo al contempo gli sprechi.
Nell'ultimo decennio circa, la comunità di ricerca sui catalizzatori ha rivolto sempre più la sua attenzione ai catalizzatori a singolo atomo (SAC) con l'obiettivo di dare un grande impulso a tutti i tipi di processi industriali, non solo alla fotocatalisi necessaria per il solare-to-combustibili . I SAC sono catalizzatori in cui tutti gli atomi di metallo coinvolti nella reazione esistono come singoli atomi isolati dispersi su una solida struttura di supporto. Questi singoli atomi di metallo sono anche tipicamente caricati positivamente. Come risultato di questa insolita struttura geometrica ed elettronica, i SAC possono migliorare radicalmente l'efficienza della catalisi.
Il campo della ricerca e sviluppo del SAC è esploso negli ultimi anni grazie in gran parte all'arrivo di metodi avanzati di imaging e spettroscopico a raggi X. Ciò ha consentito ai chimici di produrre immagini altamente dettagliate dei SAC in azione, anche mentre la reazione è in corso, il che consente loro di comprendere meglio cosa sta accadendo e testare nuove ipotesi. Oltre a ciò, le moderne tecniche di sintesi chimica hanno consentito la costruzione di SAC molto finemente adattati al processo desiderato.
"Negli ultimi anni sono stati sviluppati molti SAC diversi per altre reazioni chimiche, offrendo una rivoluzione nelle prestazioni catalitiche", ha affermato Jiangwei Zhang, coautore dell'articolo e fisico chimico presso l'Advanced Chemical Engineering and Energy Materials Research Center presso il China University of Petroleum di Qingdao, "e ora è stata la volta dei fotocatalizzatori per la produzione di combustibili solari".
I ricercatori hanno costruito un SAC con una struttura covalente a base di triazine (CTF) che fissa i singoli atomi di rame. I CTF sono una classe relativamente nuova di polimeri (stringhe di molecole molto grandi) che avevano già dimostrato di aumentare le prestazioni di scissione dell'acqua fotocatalitica. Combinando CTF con singoli atomi di rame, i chimici miravano a fornire una struttura altamente porosa (per aumentare il numero di siti disponibili in cui può aver luogo la reazione chimica pertinente) e fornire la massima efficienza atomica. Chiamano questa formulazione Cu-SA/CTF.
Sono stati in grado di visualizzare i singoli atomi di Cu mediante immagini di microscopia elettronica a trasmissione a scansione di campo scuro anulare ad alto angolo (HAADF-STEM). E la struttura dei siti in cui si verificano le reazioni è stata rivelata da analisi estese della struttura fine di assorbimento dei raggi X (EXAFS).
Con queste informazioni, i ricercatori sono stati quindi in grado di testare le prestazioni dei fotocatalizzatori Cu-SA/CTF e indagare su ciò che stava accadendo a livello atomico. Hanno scoperto che l'aggiunta dei singoli atomi di rame alla struttura aveva dotato i catalizzatori di una maggiore capacità di adsorbire CO2 (agganciare il CO2 a se stesso per eseguire la reazione chimica) e ha rafforzato la risposta alla luce visibile che guida il processo, oltre a fornire una serie di altri miglioramenti. Insieme, questo ha funzionato per migliorare significativamente la conversione di CO2 e l'acqua in combustibile metano.
Di conseguenza, i ricercatori sono stati in grado di sviluppare linee guida per la progettazione su scala atomica di altri robusti fotocatalizzatori per la conversione di CO2 in altre sostanze utili. + Esplora ulteriormente
