p Dióxido de carbono (CO ₂ ) é um dos principais gases de efeito estufa que causa o aquecimento global. Se o dióxido de carbono pudesse ser convertido em energia, seria matar dois coelhos com uma cajadada só para tratar de questões ambientais. Uma equipe de pesquisa conjunta liderada pela City University of Hong Kong (CityU) desenvolveu um novo fotocatalisador que pode produzir combustível metano (CH ₄ ) seletiva e efetivamente do dióxido de carbono usando a luz solar. De acordo com sua pesquisa, a quantidade de metano produzida quase dobrou nas primeiras 8 horas do processo de reação. p A pesquisa foi liderada pelo Dr. Ng Yun-hau, Professor Associado da Escola Superior de Energia e Meio Ambiente (SEE), em colaboração com pesquisadores da Austrália, Malásia e Reino Unido. Suas descobertas foram publicadas recentemente na revista científica Angewandte Chemie, intitulado "Estruturas Metálicas Orgânicas Decoradas com Nanofios de Óxido Cuproso para Cargas Longas Aplicadas em CO fotocatalítico seletivo ₂ Redução para CH ₄ "

p Fotocatálise inspirada na natureza

p "Inspirado pela fotossíntese na natureza, o dióxido de carbono agora pode ser convertido efetivamente em combustível de metano por nosso catalisador movido a energia solar recentemente projetado, que irá diminuir a emissão de carbono. Além disso, este novo catalisador é feito de materiais à base de cobre, que é abundante e, portanto, acessível, "disse o Dr. Ng.

p Ele explicou que é termodinamicamente desafiador converter dióxido de carbono em metano usando um fotocatalisador porque o processo de redução química envolve uma transferência simultânea de oito elétrons. Monóxido de carbono, que é prejudicial para os humanos, é mais comumente produzido no processo porque requer a transferência de apenas dois elétrons.

p Ele apontou que o óxido cuproso (Cu ₂ O), um material semicondutor, foi aplicado como fotocatalisador e eletrocatalisador para reduzir o dióxido de carbono em outros produtos químicos como monóxido de carbono e metano em diferentes estudos. Contudo, ele enfrenta várias limitações no processo de redução, incluindo sua estabilidade inferior e a redução não seletiva que causa a formação de uma série de vários produtos. A separação e purificação desses produtos da mistura pode ser altamente desafiadora e isso impõe uma barreira tecnológica para aplicação em larga escala. Além disso, o óxido cuproso pode ser facilmente corroído após uma breve iluminação e evoluir para cobre metálico ou óxido de cobre.

p Produção seletiva de metano puro

p Para superar esses desafios, O Dr. Ng e sua equipe sintetizaram um novo fotocatalisador envolvendo o óxido cuproso com estruturas orgânicas metálicas (MOFs) baseadas em cobre. Usando este novo catalisador, a equipe poderia manipular a transferência de elétrons e produzir seletivamente gás metano puro.

p Eles descobriram que, quando comparado com o óxido cuproso sem casca MOF, o óxido cuproso com camada de MOF reduziu o dióxido de carbono em metano de forma estável sob irradiação de luz visível com um rendimento quase dobrado. Também, óxido cuproso com casca MOF foi mais durável e a absorção máxima de dióxido de carbono foi quase sete vezes do óxido cuproso nu.

p Aumento da captação de dióxido de carbono

p A equipe encapsulou os nanofios de óxido cuproso unidimensional (1-D) (com um diâmetro de cerca de 400nm) com a camada externa MOF à base de cobre de cerca de 300nm de espessura. Este revestimento conformal de MOF em óxido cuproso não bloquearia a coleta de luz do catalisador. Além do mais, MOF é um bom adsorvente de dióxido de carbono. Forneceu áreas de superfície consideráveis ​​para adsorção e redução de dióxido de carbono. Como estava intimamente ligado ao óxido cuproso, trouxe uma maior concentração de dióxido de carbono adsorvido em locais próximos aos locais ativos catalíticos, fortalecimento da interação entre o dióxido de carbono e o catalisador.

p Além disso, a equipe descobriu que o óxido cuproso foi estabilizado pelo revestimento conformal de MOF. As cargas excitadas no óxido cuproso na iluminação poderiam migrar com eficiência para o MOF. Desta maneira, o acúmulo excessivo de cargas excitadas dentro do catalisador que poderia levar à autocorrosão foi evitado, portanto, estendeu a vida útil do catalisador.

p Elétrons permaneceram em MOF com maior chance de ter reações químicas

p Dr. Wu Hao, o primeiro autor do artigo que também é da SEE, apontou um dos destaques desta pesquisa e disse:"Usando a espectroscopia de fotoluminescência resolvida no tempo avançada, observamos que uma vez que os elétrons foram excitados para a banda de condução do óxido cuproso, eles seriam transferidos diretamente para o orbital molecular desocupado mais baixo (LUMO) do MOF e permaneceriam lá, mas não voltou rapidamente para sua banda de valência, que é de menor energia. Isso criou um estado separado de carga de longa duração. Portanto, elétrons que permaneceram no MOF teriam uma chance maior de sofrer reações químicas. "

p Amplia a compreensão das relações entre MOFs e óxidos de metal

p Anteriormente, geralmente acreditava-se que as atividades fotocatalíticas melhoradas eram meramente induzidas pelo efeito da concentração de reagente do MOF e o MOF servia apenas como um adsorvente de reagente. Contudo, A equipe do Dr. Ng revelou como as cargas excitadas migram entre o óxido cuproso e o MOF nesta pesquisa. "Está comprovado que o MOF desempenha um papel mais significativo na formação do mecanismo de reação à medida que muda a via do elétron, Ele ressaltou que esta descoberta ampliou a compreensão das relações entre os MOFs e os óxidos de metal além do tipo de adsorção físico / química convencional para facilitar a separação de cargas.

p A equipe passou mais de dois anos para desenvolver esta estratégia eficaz na conversão de dióxido de carbono. O próximo passo será aumentar ainda mais a taxa de produção de metano e explorar maneiras de aumentar a síntese do catalisador e dos sistemas de reator. "Em todo o processo de conversão de dióxido de carbono em metano, a única entrada de energia que usamos foi a luz solar. Esperamos no futuro, o dióxido de carbono emitido pelas fábricas e transporte pode ser "reciclado" para produzir combustíveis verdes, "concluiu o Dr. Ng.