Newswise – La crescente domanda di combustibili a base di carbonio per alimentare l'economia continua ad aumentare la quantità di anidride carbonica (CO2) nell'aria. Sebbene si stiano compiendo sforzi per ridurre le emissioni di CO2, ciò non attenua gli effetti nocivi del gas già presente nell'atmosfera. Per questo motivo, i ricercatori hanno escogitato modi creativi per utilizzare la CO2 atmosferica convertendola in sostanze preziose come l'acido formico (HCOOH) e il metanolo. La fotoriduzione della CO2 mediante fotocatalizzatori che sfruttano la luce visibile come catalizzatore è un metodo diffuso per tali conversioni.
Nell'ultima scoperta, presentata nell'edizione internazionale dell'8 maggio 2023 di Angewandte Chemie, il Professor Kazuhiko Maeda e il suo team di ricerca del Tokyo Institute of Technology hanno compiuto progressi significativi. Hanno sviluppato con successo una struttura metallo-organica (MOF) a base di stagno (Sn) che promuove la fotoriduzione selettiva della CO2. Il MOF recentemente introdotto è stato denominato KGF-10 e la sua formula chimica è [SnII2(H3ttc)2.MeOH]n (H3ttc: acido tritiocianurico, MeOH: metanolo). Utilizzando la luce visibile, KGF-10 converte efficacemente la CO2 in acido formico (HCOOH). Il Professor Maeda ha spiegato: "Ad oggi, sono stati sviluppati molti fotocatalizzatori altamente efficienti per la riduzione della CO2 basati su metalli rari e nobili. Tuttavia, integrare le funzioni di assorbimento della luce e catalitiche in un'unica unità molecolare composta da un gran numero di metalli rimane una sfida". Pertanto, lo Sn si è dimostrato un candidato ideale per superare questi due ostacoli.
I MOF, che combinano i vantaggi dei metalli e dei materiali organici, sono oggetto di studio come alternativa più ecologica ai tradizionali fotocatalizzatori a base di terre rare. Lo Sn, noto per il suo duplice ruolo di catalizzatore e assorbitore di luce nei processi fotocatalitici, potrebbe potenzialmente rappresentare un'opzione valida per i fotocatalizzatori a base di MOF. Sebbene i MOF composti da zirconio, ferro e piombo siano stati ampiamente studiati, la comprensione dei MOF a base di Sn è ancora limitata. Sono necessari ulteriori studi e ricerche per esplorare appieno le possibilità e le potenziali applicazioni dei MOF a base di Sn nel campo della fotocatalisi.
Per sintetizzare il MOF KGF-10 a base di stagno, i ricercatori hanno utilizzato H3ttc (acido tritiocianurico), MeOH (metanolo) e cloruro di stagno come componenti di partenza. Hanno scelto 1,3-dimetil-2-fenil-2,3-diidro-1H-benzo[d]imidazolo come donatore di elettroni e fonte di idrogeno. Dopo la sintesi, il KGF-10 ottenuto è stato sottoposto a diversi metodi analitici. Questi test hanno dimostrato che il materiale ha una moderata capacità di adsorbimento di CO2 con un band gap di 2,5 eV e un assorbimento efficace nell'intervallo di lunghezze d'onda visibili.
Grazie alla conoscenza delle proprietà fisiche e chimiche del nuovo materiale, gli scienziati lo hanno utilizzato per catalizzare la riduzione dell'anidride carbonica mediante luce visibile. In particolare, i ricercatori hanno scoperto che il KGF-10 raggiunge la conversione da CO2 a formiato (HCOO-) con una selettività fino al 99% senza l'ausilio di fotosensibilizzatori o catalizzatori ausiliari. Inoltre, il KGF-10 ha dimostrato una resa quantica apparente senza precedenti – una misura dell'efficienza nell'uso dei fotoni – raggiungendo un valore del 9,8% a 400 nm. In particolare, l'analisi strutturale eseguita durante la reazione fotocatalitica ha mostrato che il KGF-10 subisce una modifica strutturale per favorire il processo di riduzione.
Questa ricerca innovativa presenta un fotocatalizzatore a base di stagno ad alte prestazioni, il KGF-10, che non necessita di metalli nobili come catalizzatore unidirezionale per la riduzione della CO2 in formiato mediante luce visibile. Le straordinarie proprietà del KGF-10 dimostrate in questo studio potrebbero rivoluzionarne l'uso come fotocatalizzatore in una varietà di applicazioni, inclusa la riduzione della CO2 solare. Il Prof. Maeda conclude: "I nostri risultati indicano che i MOF possono fungere da piattaforma per lo sviluppo di capacità fotocatalitiche superiori attraverso l'uso di metalli non tossici, economici e abbondanti presenti sulla Terra, che sono spesso complessi metallici molecolari. Irraggiungibili". Questa scoperta apre nuove possibilità, orizzonti nel campo della fotocatalisi e apre la strada all'uso sostenibile ed efficiente delle risorse della Terra.
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