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La continua domanda di combustibili ad alto contenuto di carbonio da parte dell'economia ha portato a un aumento dell'anidride carbonica (CO2) nell'atmosfera. Anche se si compiono sforzi per ridurre le emissioni di anidride carbonica, questi non sono sufficienti a invertire gli effetti nocivi del gas già presente nell'atmosfera.
Gli scienziati hanno quindi sviluppato metodi creativi per utilizzare l'anidride carbonica già presente nell'atmosfera, convertendola in molecole utili come l'acido formico (HCOOH) e il metanolo. La fotoriduzione fotocatalitica dell'anidride carbonica mediante luce visibile è un metodo comune per tali trasformazioni.
Un team di scienziati del Tokyo Institute of Technology, guidato dal professor Kazuhiko Maeda, ha compiuto importanti progressi e li ha documentati nella pubblicazione internazionale “Angewandte Chemie” dell’8 maggio 2023.
Hanno creato una struttura metallo-organica (MOF) a base di stagno che consente la fotoriduzione selettiva dell'anidride carbonica. I ricercatori hanno creato un nuovo MOF a base di stagno (Sn) con formula chimica [SnII2(H3ttc)2.MeOH]n (H3ttc: acido tritiocianurico e MeOH: metanolo).
La maggior parte dei fotocatalizzatori a CO2 ad alta efficienza basati sulla luce visibile utilizza metalli preziosi rari come componenti principali. Inoltre, l'integrazione dell'assorbimento della luce e delle funzioni catalitiche in un'unica unità molecolare composta da un gran numero di metalli rimane una sfida di lunga data. Pertanto, lo Sn è un candidato ideale perché può risolvere entrambi i problemi.
I MOF sono i materiali migliori per metalli e materiali organici e sono allo studio come alternativa più ecologica ai tradizionali fotocatalizzatori a base di terre rare.
Lo Sn è una potenziale scelta per i fotocatalizzatori a base di MOF perché può agire come catalizzatore e scavenger durante il processo fotocatalitico. Sebbene i MOF a base di piombo, ferro e zirconio siano stati ampiamente studiati, si sa ancora poco sui MOF a base di stagno.
H3ttc, MeOH e cloruro di stagno sono stati utilizzati come ingredienti di partenza per preparare il MOF KGF-10 a base di stagno, e i ricercatori hanno deciso di utilizzare 1,3-dimetil-2-fenil-2,3-diidro-1H-benzo[d]imidazolo. funge da donatore di elettroni e fonte di idrogeno.
Il KGF-10 risultante viene quindi sottoposto a vari processi analitici. Hanno scoperto che il materiale ha un bandgap di 2,5 eV, assorbe le lunghezze d'onda della luce visibile e ha una moderata capacità di adsorbimento dell'anidride carbonica.
Una volta comprese le proprietà fisiche e chimiche di questo nuovo materiale, gli scienziati lo hanno utilizzato per catalizzare la riduzione dell'anidride carbonica in presenza di luce visibile. Hanno scoperto che il KGF-10 può convertire in modo efficiente e selettivo la CO2 in formiato (HCOO-) con un'efficienza fino al 99%, senza la necessità di fotosensibilizzatori o catalizzatori aggiuntivi.
Presenta inoltre una resa quantica apparente (il rapporto tra il numero di elettroni coinvolti nella reazione e il numero totale di fotoni incidenti) record del 9,8% a una lunghezza d'onda di 400 nm. Inoltre, l'analisi strutturale condotta durante la reazione ha mostrato che il KGF-10 ha subito modifiche strutturali che hanno promosso la riduzione fotocatalitica.
Questo studio presenta per la prima volta un fotocatalizzatore monocomponente a base di stagno, altamente efficiente e privo di metalli preziosi, per accelerare la conversione dell'anidride carbonica in formiato. Le straordinarie proprietà del KGF-10 scoperte dal team aprono nuove possibilità per il suo utilizzo come fotocatalizzatore in processi come la riduzione delle emissioni di CO2 mediante l'utilizzo dell'energia solare.
Il professor Maeda ha concluso: "I nostri risultati indicano che i MOF possono fungere da piattaforma per l'utilizzo di metalli non tossici, economici e ricchi di minerali terrestri per creare funzioni fotocatalitiche superiori, solitamente irraggiungibili utilizzando complessi metallici molecolari".
Kamakura Y et al (2023) Le strutture metallo-organiche a base di stagno (II) consentono una riduzione efficiente e selettiva dell'anidride carbonica fino alla formazione sotto luce visibile. Applied Chemistry, edizione internazionale. doi:10.1002/ani.202305923
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