სიახლეები – ეკონომიკის საზრდოდ ნახშირბადზე დაფუძნებული საწვავის მზარდი მოთხოვნა ჰაერში ნახშირორჟანგის (CO2) რაოდენობას ზრდის. მიუხედავად იმისა, რომ CO2-ის გამოყოფის შესამცირებლად ძალისხმევა მიმდინარეობს, ეს არ ამცირებს ატმოსფეროში უკვე არსებული აირის მავნე ზემოქმედებას. ამიტომ, მკვლევარებმა ატმოსფერული CO2-ის გამოყენების შემოქმედებითი გზები მოიფიქრეს, მისი ისეთ ძვირფას ნივთიერებებად გარდაქმნით, როგორიცაა ჭიანჭველმჟავა (HCOOH) და მეთანოლი. CO2-ის ფოტოაღდგენა ფოტოკატალიზატორების გამოყენებით, რომლებიც კატალიზატორად ხილულ სინათლეს იყენებენ, ასეთი გარდაქმნების პოპულარული მეთოდია.
2023 წლის 8 მაისს, Angewandte Chemie-ის საერთაშორისო გამოცემაში გამოქვეყნებულ უახლეს აღმოჩენაში, პროფესორმა კაზუჰიკო მაედამ და მისმა კვლევითმა ჯგუფმა ტოკიოს ტექნოლოგიურ ინსტიტუტში მნიშვნელოვან პროგრესს მიაღწიეს. მათ წარმატებით შეიმუშავეს კალის (Sn) მეტალ-ორგანული ჩარჩო (MOF), რომელიც ხელს უწყობს CO2-ის შერჩევით ფოტორედუქციას. ახლახან წარმოდგენილ MOF-ს KGF-10 ეწოდა და მისი ქიმიური ფორმულაა [SnII2(H3ttc)2.MeOH]n (H3ttc: ტრითიოციანური მჟავა, MeOH: მეთანოლი). ხილული სინათლის გამოყენებით, KGF-10 ეფექტურად გარდაქმნის CO2-ს ჭიანჭველმჟავად (HCOOH). პროფესორმა მაედამ განმარტა: „დღემდე, იშვიათი და კეთილშობილი ლითონების საფუძველზე CO2-ის შემცირების მრავალი მაღალეფექტური ფოტოკატალიზატორი შემუშავებულია. თუმცა, სინათლის შთამნთქმელი და კატალიზური ფუნქციების ინტეგრირება ერთ მოლეკულურ ერთეულში, რომელიც შედგება დიდი რაოდენობით ლითონებისგან, კვლავ გამოწვევად რჩება“. ამრიგად, Sn აღმოჩნდა იდეალური კანდიდატი ამ ორი დაბრკოლების დასაძლევად“.
ლითონებისა და ორგანული მასალების უპირატესობების გამაერთიანებელი მონოპოლისტური ფორები (MOFs) განიხილება, როგორც იშვიათმიწა ლითონებზე დაფუძნებული ტრადიციული ფოტოკატალიზატორების უფრო ეკოლოგიურად სუფთა ალტერნატივა. Sn, რომელიც ცნობილია ფოტოკატალიზურ პროცესებში კატალიზატორისა და სინათლის შთამნთქმელის ორმაგი როლით, შესაძლოა MOF-ზე დაფუძნებული ფოტოკატალიზატორებისთვის სიცოცხლისუნარიანი ვარიანტი იყოს. მიუხედავად იმისა, რომ ცირკონიუმის, რკინისა და ტყვიისგან შემდგარი მონოპოლისტური ფორები ფართოდ არის შესწავლილი, Sn-ზე დაფუძნებული მონოპოლისტური ფორების შესახებ ინფორმაცია ჯერ კიდევ შეზღუდულია. ფოტოკატალიზის სფეროში Sn-ზე დაფუძნებული მონოპოლისტური ფორების შესაძლებლობებისა და პოტენციური გამოყენების სრულად შესასწავლად საჭიროა შემდგომი კვლევები.
კალის ბაზაზე დამზადებული MOF KGF-10-ის სინთეზირებისთვის, მკვლევრებმა საწყის კომპონენტებად გამოიყენეს H3ttc (ტრითიოციანური მჟავა), MeOH (მეთანოლი) და კალის ქლორიდი. ელექტრონების დონორად და წყალბადის წყაროდ მათ აირჩიეს 1,3-დიმეთილ-2-ფენილ-2,3-დიჰიდრო-1H-ბენზო[d]იმიდაზოლი. სინთეზის შემდეგ, მიღებულ KGF-10-ს დაექვემდებარა სხვადასხვა ანალიტიკური მეთოდი. ამ ტესტებმა აჩვენა, რომ მასალას აქვს საშუალო CO2 ადსორბციის უნარი 2.5 eV ზოლური უფსკრულით და ეფექტური შთანთქმით ხილულ ტალღის სიგრძის დიაპაზონში.
ახალი მასალის ფიზიკური და ქიმიური თვისებების ცოდნით შეიარაღებულმა მეცნიერებმა ის გამოიყენეს ხილული სინათლით ნახშირორჟანგის აღდგენის კატალიზებისთვის. აღსანიშნავია, რომ მკვლევარებმა აღმოაჩინეს, რომ KGF-10 CO2-დან ფორმატად (HCOO-) გარდაქმნას 99%-მდე სელექციურობით ახორციელებს რაიმე დამხმარე ფოტოსენსიბილიზატორის ან კატალიზატორის გარეშე. გარდა ამისა, KGF-10-მა აჩვენა უპრეცედენტოდ მაღალი აშკარა კვანტური გამოსავლიანობა - ფოტონების გამოყენების ეფექტურობის საზომი - რომელმაც 400 ნმ-ზე 9.8% მიაღწია. აღსანიშნავია, რომ ფოტოკატალიზური რეაქციის დროს ჩატარებულმა სტრუქტურულმა ანალიზმა აჩვენა, რომ KGF-10 განიცდის სტრუქტურულ მოდიფიკაციას აღდგენის პროცესის დასახმარებლად.
ეს რევოლუციური კვლევა წარმოგვიდგენს მაღალი ხარისხის კალის ბაზაზე დაფუძნებულ ფოტოკატალიზატორ KGF-10-ს, რომელიც არ საჭიროებს კეთილშობილ ლითონებს, როგორც ცალმხრივ კატალიზატორს CO2-ის ხილული სინათლის საშუალებით ფორმატირებისთვის. ამ კვლევაში დემონსტრირებული KGF-10-ის შესანიშნავი თვისებები შეიძლება რევოლუციური იყოს მისი, როგორც ფოტოკატალიზატორის გამოყენებისას სხვადასხვა დანიშნულებაში, მათ შორის მზის CO2-ის შემცირებაში. პროფესორი მაედა ასკვნის: „ჩვენი შედეგები მიუთითებს, რომ MOF-ებს შეუძლიათ იმოქმედონ, როგორც პლატფორმა უმაღლესი ფოტოკატალიზური შესაძლებლობების განვითარებისთვის დედამიწაზე არსებული არატოქსიკური, ეკონომიური და უხვი ლითონების გამოყენებით, რომლებიც ხშირად მოლეკულური ლითონის კომპლექსებია. მიუწვდომელია“. ეს აღმოჩენა ახალ შესაძლებლობებს ხსნის ფოტოკატალიზის სფეროში და გზას უხსნის დედამიწის რესურსების მდგრად და ეფექტურ გამოყენებას.
Newswise ჟურნალისტებს სთავაზობს წვდომას მნიშვნელოვან სიახლეებზე და პლატფორმას უნივერსიტეტებისთვის, ინსტიტუტებისა და ჟურნალისტებისთვის, რათა მათ გაავრცელონ მნიშვნელოვანი სიახლეები თავიანთ აუდიტორიამდე.