不使用貴金屬、稀有金屬或有毒元素之高效率二氧化碳轉換光觸媒

 

刊登日期:2023/7/4
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日本東京工業大學與關西學院大學共同開發了一項不使用貴金屬、稀有金屬或有毒元素之二氧化碳轉換固體光觸媒,並成功地利用可見光以高選擇性與高表觀量子產收率(假設入射光子的總吸收並計算用於形成生成產物之電子數的比例)從二氧化碳中獲得甲酸。
 
近年來,將二氧化碳轉換為有用化學物質的觸媒技術備受各界矚目。將光能轉換為化學能的光觸媒由於可以在常溫常壓條件下反應驅動,其中尤以固體光觸媒在反應後觸媒與反應物易於分離,觸媒回收較容易等原因,相關開發受到重視。目前既有已開發之轉換二氧化碳的可見光應答型固態光觸媒系統幾乎都須利用釕、銀等貴金屬或稀有金屬。此外,東京工業大學過去開發出的二氧化碳轉換觸媒「KGF-9」則使用了具有毒性的鉛。因此對於以一般元素組成之固體光觸媒有其開發需求。
 
在此次的研究中,東京工業大學等使用了可以吸收約達550 nm可見光的錫類金屬有機框架(MOF)「KGF-10」。當利用可見光照射「KGF-10」後,發現能以高選擇性、高效率地將二氧化碳轉換為甲酸。此舉即表明「KGF-10」在光觸媒反應的初始階段改變了其結構,然後觸媒反應呈現穩定進行。透過此項研究成果,今後將可望實現以MOF為初始結構,且在反應過程中透過改變結構以進行光觸媒反應之新型光觸媒平台。
 
本次開發的光觸媒在經過最佳化的觸媒反應條件下,甲酸的生成選擇率達到99%以上,表觀量子產收率則達到9.8%(照射波長400 nm的數值)。這些數值在不含貴金屬或稀有金屬的單一成分光觸媒體系中達到世界最高水準。與既有的鉛類「KGF-9」光觸媒系統相比,新觸媒的表觀量子產率為其3.6倍,由此可證明錫類MOF光觸媒材料將可望有廣闊的應用前景。
 
「KGF-10」利用錫做為金屬元素,與現有的可見光應答型光觸媒相比,「KGF-10」在資源面的限制較少,並可以降低成本。此外,由於其低毒性,可以減輕環境負擔,因此可望有助於促進實用化發展。此次成功開發的二氧化碳轉換光觸媒經過多項實驗證實表現出極高的活性,且同時在觸媒反應過程中發生結構變化。然而結構變化後的活性光觸媒結構尚不明確。今後研究團隊將進一步確定實際引起光觸媒反應的結構,並建立更高性能、無毒且不含稀有或貴金屬之二氧化碳轉換光觸媒的設計指南,期藉此開發出新型高活性之二氧化碳轉換光觸媒。

資料來源: https://engineer.fabcross.jp/archeive/230531_titech.html
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