Newswise – Die steigende Nachfrage nach kohlenstoffbasierten Kraftstoffen führt zu einem weiteren Anstieg des Kohlendioxidgehalts (CO₂) in der Luft. Obwohl Anstrengungen unternommen werden, die CO₂-Emissionen zu reduzieren, werden die schädlichen Auswirkungen des bereits in der Atmosphäre vorhandenen Gases dadurch nicht gemildert. Daher haben Forscher kreative Wege entwickelt, atmosphärisches CO₂ zu nutzen, indem es in wertvolle Substanzen wie Ameisensäure (HCOOH) und Methanol umgewandelt wird. Die Photoreduktion von CO₂ mithilfe von Photokatalysatoren, die sichtbares Licht als Katalysator nutzen, ist eine gängige Methode für solche Umwandlungen.
In einem neuen Durchbruch, der in der internationalen Ausgabe von Angewandte Chemie am 8. Mai 2023 veröffentlicht wurde, erzielten Professor Kazuhiko Maeda und sein Forschungsteam am Tokyo Institute of Technology bedeutende Fortschritte. Sie entwickelten erfolgreich ein Zinn-Metall-organisches Gerüst (MOF), das die selektive Photoreduktion von CO₂ ermöglicht. Das kürzlich vorgestellte MOF trägt den Namen KGF-10 und die chemische Formel [SnII₂(H₃ttc)₂·MeOH]ₙ (H₃ttc: Trithiocyanursäure, MeOH: Methanol). KGF-10 wandelt CO₂ mithilfe von sichtbarem Licht effektiv in Ameisensäure (HCOOH) um. Professor Maeda erklärte: „Bislang wurden viele hocheffiziente Photokatalysatoren für die CO₂-Reduktion auf Basis seltener und edler Metalle entwickelt. Die Integration von lichtabsorbierenden und katalytischen Funktionen in eine einzige Moleküleinheit aus einer Vielzahl von Metallen stellt jedoch weiterhin eine Herausforderung dar.“ Zinn erwies sich daher als idealer Kandidat, um diese beiden Hürden zu überwinden.
Metallorganische Gerüstverbindungen (MOFs), die die Vorteile von Metallen und organischen Materialien vereinen, werden als umweltfreundlichere Alternative zu herkömmlichen Photokatalysatoren auf Basis von Seltenerdmetallen erforscht. Zinn (Sn), bekannt für seine Doppelfunktion als Katalysator und Lichtabsorber in photokatalytischen Prozessen, könnte eine vielversprechende Option für MOF-basierte Photokatalysatoren darstellen. Obwohl MOFs aus Zirkonium, Eisen und Blei bereits umfassend untersucht wurden, ist das Wissen über zinnbasierte MOFs noch begrenzt. Weitere Studien sind erforderlich, um die Möglichkeiten und potenziellen Anwendungen zinnbasierter MOFs im Bereich der Photokatalyse vollständig zu erforschen.
Zur Synthese des zinnbasierten MOF KGF-10 verwendeten die Forscher Trithiocyanursäure (H₃ttc), Methanol (MeOH) und Zinnchlorid als Ausgangskomponenten. Sie wählten 1,3-Dimethyl-2-phenyl-2,3-dihydro-1H-benzo[d]imidazol als Elektronendonator und Wasserstoffquelle. Nach der Synthese wurde das erhaltene KGF-10 verschiedenen Analysemethoden unterzogen. Diese Tests zeigten, dass das Material eine moderate CO₂-Adsorptionskapazität mit einer Bandlücke von 2,5 eV und effektiver Absorption im sichtbaren Wellenlängenbereich aufweist.
Mit dem Wissen über die physikalischen und chemischen Eigenschaften des neuen Materials nutzten die Wissenschaftler es, um die Reduktion von Kohlendioxid mittels sichtbarem Licht zu katalysieren. Die Forscher stellten fest, dass KGF-10 die Umwandlung von CO₂ zu Formiat (HCOO⁻) mit einer Selektivität von bis zu 99 % ohne zusätzliche Photosensibilisatoren oder Katalysatoren ermöglicht. Darüber hinaus wies KGF-10 eine beispiellos hohe scheinbare Quantenausbeute – ein Maß für die Effizienz der Photonennutzung – von 9,8 % bei 400 nm auf. Strukturanalysen während der photokatalytischen Reaktion zeigten, dass KGF-10 eine Strukturmodifikation durchläuft, die den Reduktionsprozess unterstützt.
Diese bahnbrechende Forschung präsentiert mit KGF-10 einen hochleistungsfähigen, zinnbasierten Photokatalysator, der ohne Edelmetalle als Einwegkatalysator für die Reduktion von CO₂ zu Formiat mittels sichtbarem Licht wirkt. Die in dieser Studie demonstrierten bemerkenswerten Eigenschaften von KGF-10 könnten dessen Einsatz als Photokatalysator in einer Vielzahl von Anwendungen, einschließlich der solaren CO₂-Reduktion, revolutionieren. Prof. Maeda schlussfolgert: „Unsere Ergebnisse zeigen, dass MOFs als Plattform für die Entwicklung überlegener photokatalytischer Eigenschaften dienen können. Dies wird durch die Verwendung ungiftiger, kostengünstiger und reichlich vorhandener Metalle ermöglicht, die auf der Erde vorkommen und oft als molekulare Metallkomplexe nicht zugänglich sind.“ Diese Entdeckung eröffnet neue Möglichkeiten und Horizonte im Bereich der Photokatalyse und ebnet den Weg für eine nachhaltige und effiziente Nutzung der Ressourcen der Erde.
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