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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, 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 una nuova MOF a base di stagno (Sn) con la formula chimica [SnII2(H3ttc)2.MeOH]n (H3ttc: acido tritiocianurico e MeOH: metanolo).
La maggior parte dei fotocatalizzatori per la CO2 ad alta efficienza basati sulla luce visibile utilizzano metalli preziosi rari come componenti principali. Inoltre, l'integrazione delle funzioni di assorbimento della luce e catalitiche in un'unica unità molecolare composta da un gran numero di metalli rimane una sfida di lunga data. Pertanto, lo stagno (Sn) è un candidato ideale perché può risolvere entrambi i problemi.
I MOF sono i materiali migliori per la sintesi di metalli e materiali organici e vengono studiati come alternativa più ecologica ai tradizionali fotocatalizzatori a base di terre rare.
Lo stagno (Sn) rappresenta una potenziale scelta per i fotocatalizzatori a base di MOF, in quanto può agire sia da catalizzatore che da agente sequestrante 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 a base di stagno KGF-10, 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 band gap di 2,5 eV, assorbe 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 bisogno di fotosensibilizzatori o catalizzatori aggiuntivi.
Presenta inoltre una resa quantica apparente record (il rapporto tra il numero di elettroni coinvolti nella reazione e il numero totale di fotoni incidenti) 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 favorito la riduzione fotocatalitica.
Questo studio presenta per la prima volta un fotocatalizzatore a base di stagno, monocomponente e privo di metalli preziosi, altamente efficiente 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 quali la riduzione delle emissioni di CO2 mediante 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, a basso costo e abbondanti in natura, al fine di creare funzioni fotocatalitiche superiori, tipicamente irraggiungibili con i 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 a formazione sotto luce visibile. Applied Chemistry, International Edition. doi:10.1002/ani.202305923
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