Przełom w rozkładaniu dwutlenku węgla z wysoką wydajnością

Naukowcy znajdują sposób na efektywne wykorzystanie światła widzialnego słonecznego do rozkładania dwutlenku węgla, otwierając drzwi dla nowych sposobów łagodzenia globalnego ocieplenia.

dwutlenek węgla (CO₂) Emisje z działalności człowieka wzrosły dramatycznie w ciągu ostatniego półtora wieku i są postrzegane jako główna przyczyna globalnego ocieplenia i nieprawidłowych wzorców pogodowych. W związku z tym w wielu dziedzinach skupiono się w dużej mierze na obniżeniu poziomu emisji dwutlenku węgla₂ emisje i poziomy atmosferyczne. Jedną z obiecujących strategii jest chemiczny rozkład lub „redukcja” dwutlenku węgla₂ Zastosowanie fotokatalizatorów – związków, które pochłaniają energię świetlną i dostarczają ją do reakcji, przyspieszając je. Dzięki tej strategii CO2 jest redukowane dzięki wykorzystaniu energii słonecznej₂, gdzie żadne inne sztuczne źródło energii nie jest możliwe, staje się możliwe, otwierając drzwi na zrównoważoną ścieżkę do zrównoważonej przyszłości.

Zespół naukowców kierowany przez dr. Shinji Kawasaki i Yusuke Ishii z Nagoya Institute of Technology w Japonii są na czele wysiłków zmierzających do osiągnięcia wydajności CO2 przy pomocy energii słonecznej.₂ zniżka. Ich najnowsze odkrycie zostało opublikowane w czasopiśmie Nature Raporty naukowe.

Rysunek 2: Mechanizm nowatorskiego fotokatalizatora trójskładnikowego. Fotowzbudzony elektron przemieszcza się z jodku srebra (AgI) wzdłuż nanorurek węglowych do jodku srebra (AgIO3), gdzie dwutlenek węgla (CO2) jest redukowany do tlenku węgla (CO). Źródło: Shinji Kawasaki i Yusuke Ishii z Nagoya Institute of Technology

Ich badania rozpoczęły się od potrzeby rozwiązania problemu ograniczonej stosowalności jodanu srebra (AgIO₃), fotokatalizator, który wzbudził duże zainteresowanie ze względu na korzystny wpływ na CO₂ reakcja redukcji. Problem w tym, że AgIO₃ Potrzebuje znacznie większej energii niż światło widzialne, aby funkcjonować jako skuteczny fotokatalizator; Światło widzialne to większość promieniowania słonecznego.

Naukowcy próbowali rozwiązać ten problem z wydajnością, łącząc AgIO₃ Korzystanie z jodku srebra (AgI), który może skutecznie pochłaniać i wykorzystywać światło widzialne. Jednak AgIO₃Związki AgI podlegają złożonym procesom syntezy, co sprawia, że ​​ich produkcja na dużą skalę jest niepraktyczna. Co więcej, nie mają struktur zapewniających wydajne ścieżki przenoszenia elektronów fotowzbudzonych (elektronów aktywowanych absorpcją światła) z AgI do AgIO.₃, który jest kluczem do katalitycznej aktywności związku.

Rysunek 3: Elastyczna elektroda polimerowa do fotokatalizatora. Nowa trójskładnikowa dyspersja fotokatalizatora może być łatwo natryskiwana na folie polimerowe w celu wytworzenia elastycznych elektrod, które można łączyć w wielu ustawieniach. Źródło: Shinji Kawasaki i Yusuke Ishii z Nagoya Institute of Technology

„Opracowaliśmy teraz nowatorski fotokatalizator składający się z jednościennych nanorurek węglowych (SWCNT) z AgIO.₃ i AgI w celu utworzenia trójskładnikowego złożonego katalizatora, mówi dr Kawasaki, „Rola SWCNT jest multimodalna. Rozwiązuje problemy syntezy i ścieżki przenoszenia elektronów”.

Proces syntezy trójskładnikowej jest prosty i obejmuje tylko dwa etapy: 1. Enkapsulacja cząsteczek jodu w SWCNT przy użyciu metody utleniania elektrochemicznego. 2. Przygotowanie związku przez zanurzenie produktu z poprzedniego etapu w wodnym roztworze azotanu srebra (AgNO .).₃).

Obserwacje spektroskopowe z użyciem związku wykazały, że podczas procesu syntezy kapsułkowane cząsteczki jodu otrzymały ładunek z SWCNT i przekształcone w określone jony. Następnie reagowały z AgNO₃ Aby utworzyć AgI i AgIO₃ Mikrokryształy, które ze względu na początkowe pozycje kapsułkowanych cząsteczek jodu osadzały się równomiernie na wszystkich SWCNT. Analiza eksperymentalna z wykorzystaniem symulowanego światła słonecznego wykazała, że ​​SWCNT działały również jako ścieżka przewodząca, przez którą fotowzbudzone elektrony podróżowały z AgI do AgIO.₃, umożliwiając skuteczną redukcję dwutlenku węgla₂ do tlenku węgla (CO).

Włączenie SWCNT umożliwiło również łatwe natryskiwanie dyspersji kompozytowej na cienkowarstwowy polimer w celu wytworzenia elastycznych fotoelektrod, które są wszechstronne i mogą być stosowane w różnych zastosowaniach.

Dr Ishi ma nadzieję na potencjał ich fotokatalizatora. „Może spowodować zmniejszenie zużycia energii słonecznej dwutlenku węgla w przemyśle”₂ Emisje i dwutlenek węgla w atmosferze₂ Jest to łatwe do skalowania, zrównoważone rozwiązanie w zakresie energii odnawialnej, które zajmuje się globalnym ociepleniem i zmianami klimatycznymi, czyniąc życie ludzi bezpieczniejszym i zdrowszym.

Zespół twierdzi, że następnym krokiem jest zbadanie możliwości wykorzystania fotokatalizatora do generowania słonecznego wodoru. Być może jednak przyszłość ludzkości jest świetlana!

Odniesienie: „Jednoetapowa synteza światła widzialnego CO₂ Fotokatalizator redukcyjny nanorurek węglowych w jodze”, Mayar Zubaidi, Kenta Kobayashi, Yusuke Ishii i Shinji Kawasaki, 12 maja 2021 r. Dostępne tutaj Raporty naukowe.
DOI: 10.1038 / s41598-021-89706-2