Непрекращающийся спрос на топливо с высоким содержанием углерода для стимулирования экономики продолжает добавлять в атмосферу все больше и больше углекислого газа (CO 2). Несмотря на то, что предпринимаются усилия по сокращению выбросов CO 2, сами по себе они не могут противостоять неблагоприятному воздействию газа, уже присутствующего в атмосфере.

Итак, ученые придумали инновационные способы использования существующего атмосферного CO 2 путем преобразования его в полезные химические вещества, такие как муравьиная кислота (HCOOH) и метанол. Популярным методом проведения таких преобразований является использование видимого света для фотовосстановления СО 2 с помощью фотокатализаторов. В недавнем прорыве, опубликованном в Angewandte Chemie, International Edition, группа исследователей во главе с профессором Казухико Маэда из Токийского технологического института разработала металлоорганический каркас (MOF) на основе олова, который может обеспечить селективное фотовосстановление CO 2.

Они сообщили о новом MOF на основе олова (Sn), названном KGF-10, с формулой [Sn II 2 (H 3 ttc) 2 .MeOH] n (H 3 ttc: тритиоциануровая кислота и MeOH: метанол). Он успешно восстановил CO 2 до HCOOH в присутствии видимого света. «Большинство высокоэффективных фотокатализаторов для восстановления CO 2, работающих под действием видимого света, основаны на редких драгоценных металлах в качестве основных компонентов. Следовательно, Sn был идеальным кандидатом, поскольку он может решить обе проблемы», — объясняет профессор Маэда. MOF, которые сочетают в себе лучшее как из металлов, так и из органических материалов, изучаются как более устойчивая альтернатива обычным фотокатализаторам на основе редкоземельных металлов.

Sn, известный своей способностью действовать как катализатор и поглотитель во время фото каталитической реакции, может быть многообещающим кандидатом для фотокатализаторов на основе MOF.  Для синтеза MOF KGF-10 на основе Sn исследователи использовали H 3 ttc, MeOH и хлорид олова в качестве исходных материалов и выбрали 1,3-диметил-2-фенил-2,3-дигидро-1H-бензо[d]имидазол как донор электронов и источник водорода. Затем подготовленный KGF-10 подвергали нескольким методам анализа. Они показали, что материал проявлял умеренную способность адсорбировать CO 2, имел ширину запрещенной зоны 2,5 эВ и поглощал длины волн видимого света.

Узнав о физических и химических свойствах нового материала, ученые использовали его для катализа восстановления CO 2 в присутствии видимого света. Они обнаружили, что KGF-10 успешно восстанавливает CO 2 до формиата (HCOO-) с селективностью 99% без необходимости использования какого-либо дополнительного фото сенсибилизатора или катализатора. Он также продемонстрировал рекордно высокий квантовый выход — отношение количества электронов, участвующих в реакции, к общему количеству падающих фотонов — 9,8% при 400 нм. Кроме того, структурный анализ, проведенный во время реакций, показал, что KGF-10 претерпевает структурные изменения, облегчая фото каталитическое восстановление.

В этом исследовании впервые представлен высокоэффективный, не содержащий драгоценных металлов однокомпонентный фотокатализатор на основе олова для восстановления CO 2 до формиата под действием видимого света. Превосходные свойства KGF-10, продемонстрированные группой исследователей, могут открыть новые возможности для его применения в качестве фотокатализатора в таких реакциях, как восстановление CO 2 за счет солнечной энергии. «Результаты нашего исследования свидетельствуют о том, что MOF могут быть платформой для создания фото каталитических функций, обычно недостижимых с молекулярными комплексами металлов, с использованием нетоксичных, недорогих и широко распространенных на земле металлов», — заключает профессор Маеда.

Дополнительная информация: Yoshinobu Kamakura et al, Металлоорганические каркасы на основе олова (II), обеспечивающие эффективное селективное восстановление CO 2 до формиата в видимом свете, Angewandte Chemie International Edition (2023). DOI: 10.1002/anie.202305923