Newswise – Nhu cầu ngày càng tăng đối với nhiên liệu gốc carbon để thúc đẩy nền kinh tế tiếp tục làm tăng lượng khí carbon dioxide (CO2) trong không khí. Mặc dù đang có những nỗ lực để giảm lượng khí thải CO2, nhưng điều này không làm giảm bớt những tác hại của khí này đã có trong khí quyển. Vì vậy, các nhà nghiên cứu đã đưa ra những cách sáng tạo để sử dụng CO2 trong khí quyển bằng cách chuyển đổi nó thành các chất có giá trị như axit formic (HCOOH) và methanol. Phương pháp quang khử CO2 bằng chất xúc tác quang sử dụng ánh sáng nhìn thấy làm chất xúc tác là một phương pháp phổ biến cho các chuyển đổi như vậy.
Trong bước đột phá mới nhất, được công bố trên ấn bản quốc tế ngày 8 tháng 5 năm 2023 của tạp chí Angewandte Chemie, Giáo sư Kazuhiko Maeda và nhóm nghiên cứu của ông tại Viện Công nghệ Tokyo đã đạt được những tiến bộ đáng kể. Họ đã phát triển thành công một khung kim loại hữu cơ (MOF) thiếc (Sn) có khả năng thúc đẩy quá trình quang khử CO2 chọn lọc. MOF mới được giới thiệu này có tên là KGF-10 và công thức hóa học của nó là [SnII2(H3ttc)2.MeOH]n (H3ttc: axit trithiocyanuric, MeOH: methanol). Sử dụng ánh sáng nhìn thấy, KGF-10 chuyển đổi CO2 thành axit formic (HCOOH) một cách hiệu quả. Giáo sư Maeda giải thích: “Cho đến nay, nhiều chất xúc tác quang hiệu quả cao để khử CO2 dựa trên các kim loại quý hiếm đã được phát triển. Tuy nhiên, việc tích hợp chức năng hấp thụ ánh sáng và xúc tác vào một đơn vị phân tử duy nhất bao gồm một số lượng lớn kim loại vẫn là một thách thức. Do đó, Sn đã chứng tỏ là một ứng cử viên lý tưởng để khắc phục hai trở ngại này.”
MOF, vật liệu kết hợp những ưu điểm của kim loại và vật liệu hữu cơ, đang được nghiên cứu như một giải pháp thay thế thân thiện với môi trường hơn cho các chất xúc tác quang truyền thống dựa trên kim loại đất hiếm. Thiếc (Sn), được biết đến với vai trò kép vừa là chất xúc tác vừa là chất hấp thụ ánh sáng trong các quá trình xúc tác quang, có tiềm năng trở thành một lựa chọn khả thi cho các chất xúc tác quang dựa trên MOF. Mặc dù các MOF cấu tạo từ zirconium, sắt và chì đã được nghiên cứu rộng rãi, nhưng sự hiểu biết về MOF dựa trên Sn vẫn còn hạn chế. Cần có thêm nhiều nghiên cứu để khám phá đầy đủ các khả năng và ứng dụng tiềm năng của MOF dựa trên Sn trong lĩnh vực xúc tác quang.
Để tổng hợp MOF gốc thiếc KGF-10, các nhà nghiên cứu đã sử dụng H3ttc (axit trithiocyanuric), MeOH (metanol) và thiếc clorua làm nguyên liệu ban đầu. Họ chọn 1,3-dimethyl-2-phenyl-2,3-dihydro-1H-benzo[d]imidazole làm chất cho electron và nguồn hydro. Sau khi tổng hợp, KGF-10 thu được đã được phân tích bằng nhiều phương pháp khác nhau. Các thử nghiệm này cho thấy vật liệu có khả năng hấp phụ CO2 vừa phải với độ rộng vùng cấm là 2,5 eV và khả năng hấp thụ hiệu quả trong dải bước sóng nhìn thấy được.
Với kiến ​​thức về các tính chất vật lý và hóa học của vật liệu mới, các nhà khoa học đã sử dụng nó để xúc tác quá trình khử carbon dioxide bằng ánh sáng nhìn thấy. Đáng chú ý, các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng KGF-10 đạt được hiệu suất chuyển đổi CO2 thành formate (HCOO-) với độ chọn lọc lên đến 99% mà không cần bất kỳ chất nhạy quang hoặc chất xúc tác phụ trợ nào. Ngoài ra, KGF-10 thể hiện hiệu suất lượng tử biểu kiến ​​cao chưa từng có – thước đo hiệu quả sử dụng photon – đạt giá trị 9,8% ở bước sóng 400 nm. Đặc biệt, phân tích cấu trúc được thực hiện trong quá trình phản ứng quang xúc tác cho thấy KGF-10 trải qua quá trình biến đổi cấu trúc để hỗ trợ quá trình khử.
Nghiên cứu đột phá này giới thiệu chất xúc tác quang hiệu suất cao gốc thiếc KGF-10 mà không cần đến kim loại quý, đóng vai trò là chất xúc tác một chiều cho quá trình khử CO2 thành format bằng ánh sáng nhìn thấy. Những đặc tính nổi bật của KGF-10 được chứng minh trong nghiên cứu này có thể cách mạng hóa việc sử dụng nó như một chất xúc tác quang trong nhiều ứng dụng khác nhau, bao gồm cả quá trình khử CO2 bằng năng lượng mặt trời. Giáo sư Maeda kết luận: “Kết quả của chúng tôi cho thấy MOF có thể đóng vai trò là nền tảng để phát triển khả năng xúc tác quang vượt trội thông qua việc sử dụng các kim loại không độc hại, tiết kiệm chi phí và dồi dào trên Trái đất, thường là các phức hợp kim loại phân tử. Điều này là không thể đạt được.” Phát hiện này mở ra những khả năng mới trong lĩnh vực xúc tác quang và mở đường cho việc sử dụng bền vững và hiệu quả các nguồn tài nguyên của Trái đất.
Newswise cung cấp cho các nhà báo quyền truy cập vào tin tức nóng hổi và một nền tảng để các trường đại học, tổ chức và nhà báo phân phối tin tức nóng hổi đến khán giả của họ.