Un gruppo di ricerca guidato dal Prof. Wan Yinhua dell'Istituto di Ingegneria di Processo dell'Accademia Cinese delle Scienze ha sviluppato un catalizzatore con doppia attività catalitica fotocatalitica e biomimetica per la produzione di perossido di idrogeno (H2 O2 ).
La strategia prevede il caricamento di nanoparticelle d'oro (AuNP) su nanofogli di nitruro di carbonio di grafite (GCN) utilizzando la polietilenimmina (PEI) come "ponte". Lo studio è stato pubblicato sul Chemical Engineering Journal .
H2 O2 , riconosciuto come un ossidante rispettoso dell'ambiente, è ampiamente utilizzato in vari campi come le cure mediche, il ripristino ambientale, la chimica fine e l'industria elettronica. Tuttavia, il metodo convenzionale di H2 O2 la produzione si basa sul processo con antrachinone, che presenta diversi inconvenienti tra cui un elevato consumo di energia, l’uso di solventi organici e rischi per la sicurezza. Pertanto, esiste un urgente bisogno di sviluppare un processo di produzione sostenibile ed ecologico per l'H2 O2 .
La fotocatalisi guidata dal sole è una promettente strategia alternativa per l'H2 O2 produzione e GCN è una scelta popolare nel campo della fotocatalisi grazie alla sua sintesi semplice, al rapporto costo-efficacia, alle proprietà fisiche e chimiche stabili e all'ampio spettro di assorbimento della luce. Tuttavia, i nanofogli GCN da soli hanno prestazioni limitate nell'H2 fotocatalitico O2 produzione in acqua pura a causa dell'elevata barriera energetica della dissociazione dell'acqua e della bassa efficienza di separazione dei portatori di carica.
Gli agenti sacrificali dei fori (che agiscono come donatori di elettroni) come etanolo, isopropanolo e alcol benzilico sono comunemente usati per migliorare la selettività della riduzione dell'ossigeno. Tuttavia, l'aggiunta di agenti organici ha impatti ambientali negativi, che non favoriscono la sostenibilità dell'H2 O2 produzione. Pertanto, è fondamentale progettare un materiale GCN con una migliore efficienza di separazione delle coppie elettrone-lacuna per facilitare l'ossidazione dell'acqua e la riduzione dell'ossigeno.
"Ispirati dal sistema catalitico accoppiato a fotoenzimi nei cloroplasti, abbiamo sviluppato un catalizzatore composito caricando AuNP (imitatori di enzimi) su nanofogli GCN (fotocatalizzatore) utilizzando PEI come 'ponte' (PEI-GCN/Au)", Prof. Wan ha detto.
L'introduzione di PEI e AuNP aiuta a regolare la struttura elettronica del GCN, facilitando la rapida separazione dei portatori fotogenerati. La risonanza plasmonica superficiale degli AuNP, quando eccitati dalla luce incidente, promuove l'attivazione delle molecole di glucosio, aumentandone la reattività con O2 e migliorare la produzione catalitica di H2 che imita la glucosio ossidasi O2 . L'innesto di PEI e l'aggiunta di glucosio aumentano l'O2 adsorbimento sulla superficie del catalizzatore.
Il composito PEI-GCN/Au dimostra un H2 eccezionale O2 efficienza produttiva (270 μmol g -1 h -1 ) sotto irradiazione con luce visibile, utilizzando solo glucosio, H2 O e O2 come reagenti. Di conseguenza, sia la riduzione biomimetica catalitica che quella fotocatalitica di O2 a H2 O2 vengono potenziati, ottenendo un significativo effetto di potenziamento sinergico del 175%.
"Questo lavoro stabilisce un paradigma per l'accoppiamento di catalisi biomimetica e fotocatalisi per la coproduzione di sostanze chimiche. Non solo fornisce approfondimenti sullo sviluppo di materiali per H2 efficienti O2 produzione, ma introduce anche un concetto innovativo per l'integrazione di biocatalisi e fotocatalisi", ha affermato il prof. Luo Jianquan, l'autore corrispondente di questo studio.
Ulteriori informazioni: Huiru Zhang et al, Catalisi biomimetica-fotoaccoppiata per aumentare la produzione di H2O2, Chemical Engineering Journal (2024). DOI:10.1016/j.cej.2024.149183
Fornito dall'Accademia cinese delle scienze
