25.08.2022 - Tokyo Institute of Technology

Effiziente Kohlendioxidreduktion unter sichtbarem Licht mit einem neuartigen, kostengünstigen Katalysator

"Wir glauben, dass unsere Studie eine noch nie dagewesene Möglichkeit für die Entwicklung einer neuen Klasse von kostengünstigen Photokatalysatoren für die CO₂-Reduktion bietet, die aus Elementen bestehen, die in der Erde reichlich vorhanden sind"

Das Kohlendioxid (CO2), das bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe in die Atmosphäre gelangt, ist eine der Hauptursachen für die globale Erwärmung. Eine Möglichkeit, dieser wachsenden Bedrohung zu begegnen, ist die Entwicklung von CO2-Reduktionstechnologien, die CO2 in nützliche Chemikalien wie CO und Ameisensäure (HCOOH) umwandeln. Photokatalytische CO2-Reduktionssysteme nutzen sichtbares oder ultraviolettes Licht zur CO2-Reduktion, ähnlich wie Pflanzen das Sonnenlicht zur Photosynthese nutzen. In den letzten Jahren haben Wissenschaftler viele hochentwickelte Photokatalysatoren auf der Grundlage von metallorganischen Gerüsten und Koordinationspolymeren (CPs) vorgestellt. Leider erfordern die meisten von ihnen entweder eine komplexe Behandlung und Modifizierung nach der Synthese oder sie werden aus Edelmetallen hergestellt.

In einer kürzlich in ACS Catalysis veröffentlichten Studie hat ein japanisches Forscherteam einen Weg gefunden, diese Herausforderungen zu überwinden. Unter der Leitung von Specially Appointed Assistant Professor Yoshinobu Kamakura und Professor Kazuhiko Maeda vom Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) entwickelte das Team einen neuartigen Photokatalysator für die CO2-Reduktion, der auf einem CP mit Blei-Schwefel-Bindungen (Pb-S) basiert. Der neuartige CP mit der Bezeichnung KGF-9 besteht aus einer unendlichen (-Pb-S-)n-Struktur mit Eigenschaften, die sich von allen anderen bekannten Photokatalysatoren unterscheiden.

KGF-9 hat zum Beispiel keine Poren oder Hohlräume, was bedeutet, dass es eine geringe Oberfläche hat. Trotzdem erreicht es eine spektakuläre Photoreduktionsleistung. Unter Bestrahlung mit sichtbarem Licht bei 400 nm zeigte KGF-9 eine scheinbare Quantenausbeute (Produktausbeute pro absorbiertem Photon) von 2,6 % und eine Selektivität von über 99 % bei der Reduktion von CO2 zu Formiat (HCOO-). "Diese Werte sind die höchsten, die bisher für einen edelmetallfreien, einkomponentigen Photokatalysator zur Reduktion von CO2 zu HCOO- berichtet wurden", betont Prof. Maeda. "Unsere Arbeit könnte Aufschluss über das Potenzial nicht-poröser CPs als Bausteine für photokatalytische CO2-Umwandlungssysteme geben."

Zusätzlich zu seiner bemerkenswerten Leistung ist KGF-9 im Vergleich zu anderen Photokatalysatoren einfacher zu synthetisieren und zu verwenden. Da die aktiven Pb-Stellen (an denen die CO2-Reduktion stattfindet) bereits auf seiner Oberfläche "installiert" sind, benötigt KGF-9 keinen Cokatalysator, wie z. B. Metall-Nanopartikel oder Metallkomplexe. Darüber hinaus sind keine weiteren Modifikationen nach der Synthese erforderlich, um bei Raumtemperatur und unter Beleuchtung mit sichtbarem Licht zu funktionieren.

Das Team der Tokyo Tech erforscht bereits neue Strategien, um die Oberfläche von KGF-9 zu vergrößern und seine Leistung weiter zu steigern. Als erster Photokatalysator mit Pb(II) als aktivem Zentrum stehen die Chancen gut, dass KGF-9 den Weg zu einer wirtschaftlicheren CO2-Reduktion ebnen wird. Das Forscherteam kommt zu dem Schluss, dass dies der Fall ist: "Wir glauben, dass unsere Studie eine noch nie dagewesene Möglichkeit für die Entwicklung einer neuen Klasse von kostengünstigen Photokatalysatoren für die CO2-Reduktion bietet, die aus Elementen bestehen, die in der Erde reichlich vorhanden sind."

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