Bir foton, iki reaksiyon; yeni katalizör CO₂ ve biyoatığı aynı anda dönüştürüyor

Araştırmacılar, aynı anda karbondioksiti azaltmak ve organik atığı oksitlemek için tek bir fotonun enerjisinden yararlanan ve her iki reaksiyonda da değerli kimyasallar üreten, güneş enerjisiyle çalışan bir katalizör malzemesi geliştirdiler.

Nottingham Üniversitesi’ndeki bilim insanları, aynı reaktörde bir araya getirildiğinde karbondioksiti (CO₂) değerli bir kimyasala ve biyokütleden elde edilen ham maddeyi aynı anda yalnızca güneş ışığıyla çalıştırılan sürdürülebilir plastikler için yapı taşlarına dönüştürebilen iki katalizör malzemesi yarattılar. Araştırma şu adreste yayınlandı: İletişim Malzemeleri.

Öngerilimsiz bir fotoelektrokimyasal (PEC) reaktör, her biri yeni geliştirilen katalizörleri içeren birbirine bağlı iki bölmeden oluşur. Güneş ışığı bir bölmeye yansıdığında, her foton bir biyoatık molekülünün oksidasyonunu tetikler. Bu işlem sırasında açığa çıkan elektron daha sonra ikinci bölmeye aktarılır ve burada CO₂’yi indirgeyerek formata dönüştürür.

Bu, tek bir fotonun enerjisinden iki faydalı ürün ortaya çıkarıyor: sera gazından elde edilen, tekstilde, boyalarda ve farmasötiklerde yaygın olarak kullanılan değerli bir kimyasal ve biyoatıktan elde edilen yeni nesil biyo bazlı plastiklerin öncüsü.

PEC reaktörünü ve katalizörlerini tasarlayan, Nottingham Üniversitesi Kimya Fakültesi’nde araştırma görevlisi olan Dr. Madasamy Thangamuthu şunları söyledi: “Sürecin merkezinde, ikinci bölmedeki bir katoda bağlanan, kobalt oksit tabakasıyla güçlendirilmiş, karbon nitrür ve tungsten oksit yarı iletkenlerinden yapılmış nanoyapılı bir fotoanot yer alıyor.

“Süreç, güneş ışığının bir fotonu fotoanoda çarptığında, CO’yu azaltmak için katoda giden bir elektron ürettiğinde başlatılıyor.₂fotoanod üzerinde kalan delik aynı anda 5-Hidroksimetil-2-furoik asit (HMFA) molekülünü oksitler.”

Reaktör nasıl çalışır?

Yeni katalizörlere sahip PEC reaktörü, CO₂’den formata dönüşüm için yaklaşık %93 ve biyokütle oksidasyonu için yaklaşık %95 gibi oldukça yüksek verimlilikler elde ederek foton enerjisinin verimli kullanımını ortaya koydu. Dönüşüm, ek ısı ya da elektrik girdisine ihtiyaç duyulmadan yalnızca güneş enerjisiyle gerçekleştirildiğinden, bu yaklaşım sürdürülebilir kimyasal üretim için fırsatlar sunuyor.

Kimya Fakültesi’nde yardımcı doçent olan ve polimerik malzeme sentezinde uzmanlaşan Dr. Vincenzo Taresco şunları söyledi: “Sürdürülebilir polimer üretimi çağımızın en önemli zorluklarından biri. Malzeme kimyasındaki ilerlemeler hızla ilerlerken, bu reaksiyonları verimli bir şekilde yürütmek için yeni stratejilere ihtiyaç var. Bu çalışmada güneş ışığının kullanımı temiz bir süreç sağlayarak sürdürülebilir bir enerji kaynağının sürdürülebilir kimyaya güç vermesini sağlıyor.”

Nottingham grubu tarafından geliştirilen katalizörler, pahalı veya az bulunan malzemelere dayanan mevcut birçok katalizör malzemesinden farklıdır. Bunun yerine, bu yeni katalizörler toprakta bol miktarda bulunan elementlerden yapılıyor ve bu da onları ölçeklenebilir uygulamalar için daha uygun hale getiriyor. Bir yaşam döngüsü değerlendirmesi, bu sürecin çevresel faydalarını daha da doğruladı ve düşük karbonlu kimyasal üretim potansiyelini vurguladı.

Gelecekte bu katalizör sisteminin endüstriyel kullanım için ölçeği büyütülebilir.

Endüstriyel kullanıma giden yol

Kimya Fakültesi’nde doçent ve heterojen kataliz uzmanı Dr. Jesum Alves Fernandes şunları söyledi: “Katalizör üretim yöntemi, bu teknolojinin gelecekteki başarısı için çok önemlidir. Metal atomlarının yüzeyde katalizör parçacıkları halinde birleştirilmesine (özellikle boyut, şekil ve bileşim açısından uyarlanmış) yönelik benzersiz yaklaşımımız, bu çalışmayı diğer kimyasal işlemlere genişletmek ve CO2’yi daha da geliştirmek için gerekli olacaktır.₂ kullanım.”

Grup daha önce hidrojen üretimi ve CO₂’nin metanole dönüşümü için son derece etkili katalizörler oluşturmak amacıyla tek tek atomlardan oluşan katalizörlerin yüzeyde birleştirilmesini rapor etmişti.

Araştırmacılar, bu yaklaşımın endüstriyel CO₂ kaynakları ve biyorafinerilerle entegre olacak şekilde daha da geliştirilebileceğine ve dağıtılmış, sürdürülebilir kimyasal üretimi mümkün kılacağına inanıyor.

Kimya Fakültesi’nden nanomalzemeler profesörü Andrei Khlobystov şunları söyledi: “Bu buluştan dolayı çok heyecanlıyız. Şu anda insanlık, çoğu elektriğe dönüştürülen güneş enerjisinin yalnızca küçük bir kısmını topluyor. Ancak bu keşif, iki küresel zorluğun aynı anda üstesinden gelmek için güneş ışığını doğrudan yakalamak için yeni fırsatlar açıyor. Her iki süreci de yürütmek için sürdürülebilir katalizörler kullanmak, bizi Birleşik Krallık ve küresel net sıfır hedeflerine ulaşmaya daha da yaklaştırıyor.”