Fotokatalizle hidrojen (H₂) üretimi, 1970’lerden beri araştırmanın ön saflarında yer almaktadır, çünkü tek enerji kaynağı olarak bol güneş ışığı kullanarak bu yeşil yakıt talebini potansiyel olarak yerine getirebilir. Esas olarak iki yaklaşımı kapsar: genel su bölünmesi ve organik bileşiklerin seçici dehidrojenasyonu.
Genel su bölünmesinde yapılan araştırmalar, elektromanyetik spektrumun daha geniş bir aralığını kullanabilen ve su oksidasyonu ve proton azaltma yarım reaksiyonları için daha düşük aşırı potansiyellerde çalışabilen daha etkili fotokatalizörlerin tasarımı ve hazırlanmasına odaklanmaktadır. Son yıllarda, alan laboratuvar aşamasının ötesinde deneylerin ilerlemesinde önemli ilerleme kaydetmiştir.
Öte yandan, organik bileşiklerin seçici dehidrojenasyonu daha karmaşık ve çok yönlü bir araştırma alanıdır. H₂ kaynakları olarak hizmet edebilen neredeyse sonsuz sayıda organik bileşik vardırken, dehidrojenasyonlarının ürünleri değerli kimyasallardır.
Bununla birlikte, çoğu organik molekülün dehidrojenasyonu farklı genişliklere geçebilir ve bir dizi ürün verebilir. Bu nedenle, belirli bir ürüne doğru seçicilik, bu araştırma alanında, doğru fotokatalizörlerin seçilmesiyle ve işlem parametrelerini ayarlayarak modüle edilebilen merkezi bir parametredir.
Temel ve uygulamalı araştırmalar için önemine rağmen, son 40 yılda organik bileşiklerin seçici dehidrojenasyonunda topluluk tarafından sağlanan ilerlemenin kapsamlı bir özeti eksikti. Son zamanlarda bu boşluğu doldurmak için Prof. Olekssandr Savateev (Hong Kong Çin Üniversitesi) “fotokatalitik dehidrojenasyon reaksiyonları veritabanı” yarattı.
Veritabanı, 1982-2023 yılları arasında yayınlanan 216 makaleden çıkarılan 236 giriş ve her bir girişle ilişkili 100’den fazla tanımlayıcıdan oluşmaktadır. Örneğin, bu tanımlayıcılar:
- C – B, C – C, C – H, C – N, C – O, C – P, C – S, C – SI, S – S, SI – O, N – N gibi oluşan bağ tipine göre reaksiyon sınıflandırması.
- Fotokatalizörün (homojen, heterojen) tipi, kimyasal yapısı ve performansı, h’nin akma hızı gibi2 ve organik ürün.
- Reaksiyonun kuantum verimi ve diğerleri.
Bu veriler, Prof. Olekssandr Savateev (Hong Kong Çin Üniversitesi) tarafından yönetilen ekip tarafından analiz edildi, Prof. Junwang Tang (Tsinghua Üniversitesi) ve Prof. Shaowen Cao (Wuhan Technology Üniversitesi) ile işbirliği içinde ve analizin sonuçları inceleme makalesinde yayınlandı. Çin Kataliz Dergisi.
Saha gelişiminin gelecekteki talimatlarının ana hatlarını çizen bulgular arasında şunlardır:
- Güneş spektrumunun daha verimli kullanımı. Organik bileşiklerin dehidrojenasyonu termodinamik olarak daha az zorlayıcıdır – Gibbs serbest enerji değişikliği, su bölünmesinden daha az pozitiftir. Bu nedenle, prensip olarak, 1 eV’den daha dar bir enerji boşluğuna sahip fotokatalizörler ve elektromanyetik spektrumun yakın IR bölgesindeki fotonlar bu reaksiyonları yönlendirmek için yeterlidir. Bununla birlikte, yaklaşık 500 nm, daha uzun dalga boylarında gerçekleştirilen fotokatalizör ve reaksiyonların sadece birkaç örneği vardır. Reaksiyonların büyük çoğunluğu, 2.8-3.5 eV aralığında bant boşluğuna sahip olan ve görünür spektrumun kenarında ve UV yakınında foton gerektiren fotokatalizörler tarafından etkinleştirilir.
- Yeni organik reaksiyonların gelişimi. C – C, C – O ve C – N bağlarının oluşumu ile birlikte ilerleyen organik bileşiklerin fotokatalitik dehidrojenasyon örneği vardır. Bununla birlikte, H₂ evrimi eşliğinde moleküler fragmanların C – S, C – Si ve N – N bağlanması yoluyla daha karmaşık organik moleküller oluşturmanın sadece birkaç örneği vardır. Bu, organik sentezi daha atom verimli hale getirme fırsatlarını özetler-H₂ hafif bir molekül ve alıcı olmayan dehidrojenatif çapraz bağlanmadaki tek yan üründür.
Veritabanının ve analizinin sonuçlarının hemen uygulanabileceği çok sayıda alan vardır. Araştırmacıların yeni geliştirilen fotokatalitik sistemlerinin performansını, rapor edilen diğer fotokatalizörlere göre verilen koşullar altında seçilmiş bir dehidrojenasyon reaksiyonunda doğru bir şekilde sıralamalarına izin verirler.
Öte yandan, en umut verici fotokatalizörlerin ve fotokatalitik dehidrojenasyon reaksiyonlarının, daha yüksek kuantum verimleri ve H₂ ve organik ürünlerin verim oranlarına sahip olanların daha yüksek bir teknoloji hazır olma düzeyinde geliştirilmesine izin verirler.
