Synthetische illustratie van de ultradunne MOF nanosheet-gebaseerde kobalt single-atom katalysator voor door zichtbaar licht aangedreven fotokatalytische CO2-naar CO conversie. Credits: Science China Press
Zonne-energie gebruiken om CO om te zetten2 in synthetische brandstoffen is momenteel een van de meest veelbelovende technologieën om koolstofneutraliteit te bereiken met de verankering van duurzame energie in onze moderne economie. De efficiëntie van fotokatalytische CO2 omzetting is sterk beperkt vanwege de hoge thermodynamische stabiliteit van CO2 moleculen en hun proces van reductie van meerdere elektronen.
De synthese van stabiele single-atom-katalysatoren met een hoge metaalbelasting is wenselijk om fotokatalytische CO te stimuleren2 prestaties, wat echter een grote uitdaging is gebleven. Om deze uitdaging te overwinnen, werd een studie uitgevoerd door de groepen van prof. Yongfeng Zhou en prof. Yiyong Mai (School of Chemistry and Chemical Engineering, Shanghai Jiao Tong University).
Ze ontwikkelden een bottom-up synthetische strategie voor de constructie van ultradunne MOF-nanosheets gecoördineerd met Co-enkele atomen, door Co direct te gebruikenII tetrakis (4-carboxyfenyl) porfyrine (CoTCPP) als de linkers en Cu2–(COO)4 schepradcluster als de metalen knooppunten. De bottom-up strategie vermijdt de vervelende exfoliatieprocessen en lage opbrengsten die je tegenkomt bij een top-down synthetische benadering.
Bovendien, omdat de Co-sites vóór de MOF-vorming binnen de porfyrineringen waren gecoördineerd, werden Co-enkele atomen met een hoge belading van 6,0 gew.% Op de MOF-nanosheets bereikt. De verkregen MOF-nanosheets vertoonden een ultradunne dikte van 2,4 ± 0,5 nm en een laterale dimensie ter grootte van een micron.
a) TEM-afbeeldingen van Co-MNS’s (inzet: TEM-afbeelding met hoge resolutie die de roosterinformatie toont); b) AFM hoogteprofiel van Co-MNSs, de hoogtes van de platen zijn gemarkeerd; c) HAADF-STEM-afbeelding van Co-MNS’s, de gele cirkels markeren de kleine lichtpuntjes in de nanosheets; d) Fotokatalytische tijdsafhankelijke CO en H2 opbrengsten door Co-MNS’en; e) Vergelijking van CO2 fotokatalytische prestaties onder verschillende reactieomstandigheden; f) Een voorgesteld elektronisch banddiagram voor het fotokatalytische systeem. Credits: Science China Press
Zo’n 2D-morfologie met een grote beeldverhouding in combinatie met het hoge gehalte aan Co-enkele atomen maakte overvloedige toegankelijke actieve sites op de katalysatoroppervlakken mogelijk, en remde ook effectief de elektron-gat-recombinatie door de diffusielengte van ladingsdragers vanuit het materiaalinterieur te verkorten naar het oppervlak.
Als katalysator voor door zichtbaar licht aangedreven fotokatalytische CO22 reductie vertoonden Co-MNS’s een hoge CO2-naar-CO productiesnelheid van 7.041 μmol g−1 H −1 en een opmerkelijke selectiviteit van 86% in waterige media onder λ> 420 nm lichtbestraling, wat een van de topprestaties is van de gerapporteerde MOF-gebaseerde fotokatalysatoren.
Ultradunne MOF-nanosheetgebaseerde kobalt-katalysator met één atoom voor door zichtbaar licht aangedreven fotokatalytische CO22-naar CO conversie. Credits: Science China Press
Deze studie opent een nieuwe weg voor de synthese van 2-D stabiele single-atom katalysatoren met een hoge belasting van enkele metaalatomen, en stimuleert ook toekomstige inspanningen om efficiënte fotokatalysatoren te ontwikkelen voor belangrijke maar thermodynamisch opwaartse reacties.
De studie is gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschap China Chemie.
Meer informatie:
Quan Zuo et al, Hoogbelaste enkele kobaltatomen op ultradunne MOF-nanosheets voor efficiënte fotokatalytische CO2 afname, Wetenschap China Chemie (2023). DOI: 10.1007/s11426-022-1498-y
Aangeboden door Science China Press