Neues photokatalytisches System wandelt Kohlendioxid um

Stadtuniversität Hongkong

Bild: Ein hierarchisches, selbstorganisierendes photokatalytisches System (links) ahmt den natürlichen Photosyntheseapparat eines Purpurbakteriums namens Rhodobacter sphaeroides (rechts) nach und erreicht bei der Umwandlung von Kohlendioxid in Methan einen Solar-Kraftstoff-Wirkungsgrad von 15 %.mehr sehen

Bildnachweis: (links) Forschungsgruppe von Professor Ye Ruquan / City University of Hong Kong und (rechts) Biophysical Journal, 99:67-75, 2010

Ein gemeinsames Forschungsteam vonStadtuniversität Hongkong (CityU) und Mitarbeiter haben kürzlich ein stabiles künstliches photokatalytisches System entwickelt, das effizienter ist als die natürliche Photosynthese. Das neue System ahmt einen natürlichen Chloroplasten nach, um Kohlendioxid im Wasser sehr effizient mithilfe von Licht in Methan, einen wertvollen Brennstoff, umzuwandeln. Dies ist eine vielversprechende Entdeckung, die zum Ziel der CO2-Neutralität beitragen könnte.

Photosynthese ist der Prozess, bei dem Chloroplasten in Pflanzen und einigen Organismen Sonnenlicht, Wasser und Kohlendioxid nutzen, um Nahrung oder Energie zu erzeugen. In den vergangenen Jahrzehnten haben viele Wissenschaftler versucht, künstliche Photosyntheseverfahren zu entwickeln, um Kohlendioxid in klimaneutralen Kraftstoff umzuwandeln.

„Allerdings ist es schwierig, Kohlendioxid in Wasser umzuwandeln, da sich viele Photosensibilisatoren oder Katalysatoren im Wasser zersetzen“, erklärt erProfessor Ye Ruquan , außerordentlicher Professor am Fachbereich Chemie an der CityU, einer der Leiter der gemeinsamen Studie. „Obwohl gezeigt wurde, dass künstliche photokatalytische Kreisläufe mit einer höheren intrinsischen Effizienz arbeiten, haben die geringe Selektivität und Stabilität von Wasser bei der Kohlendioxidreduktion ihre praktischen Anwendungen behindert.“

In der neuesten Studie überwand das gemeinsame Forschungsteam von CityU, der University of Hong Kong (HKU), der Jiangsu University und dem Shanghai Institute of Organic Chemistry der Chinesischen Akademie der Wissenschaften diese Schwierigkeiten, indem es einen supramolekularen Aufbauansatz nutzte, um ein künstliches zu schaffen Photosynthetisches System. Es ahmt die Struktur der lichtsammelnden Chromatophore (dh Zellen, die Pigmente enthalten) eines Purpurbakteriums nach, die sehr effizient Energie von der Sonne übertragen.

Der Kern des neuen künstlichen Photosynthesesystems ist eine hochstabile künstliche Nanomicelle – eine Art Polymer, das sich in Wasser selbst zusammensetzen kann und sowohl ein wasserliebendes (hydrophiles) als auch ein wasserscheues (hydrophobes) Ende hat. Der hydrophile Kopf der Nanomicelle fungiert als Photosensibilisator zur Absorption von Sonnenlicht und sein hydrophober Schwanz fungiert als Induktor für die Selbstorganisation. Wenn es in Wasser gegeben wird, organisieren sich die Nanomicellen aufgrund intermolekularer Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Wassermolekülen und den Schwänzen selbst. Die Zugabe eines Kobaltkatalysators führt zur photokatalytischen Wasserstoffproduktion und Kohlendioxidreduktion, was zur Produktion von Wasserstoff und Methan führt.

Mithilfe fortschrittlicher Bildgebungstechniken und ultraschneller Spektroskopie enthüllte das Team die atomaren Eigenschaften des innovativen Photosensibilisators. Sie entdeckten, dass die spezielle Struktur des hydrophilen Kopfes der Nanomicelle zusammen mit der Wasserstoffbindung zwischen Wassermolekülen und dem Schwanz der Nanomicelle sie zu einem stabilen, wasserkompatiblen künstlichen Photosensibilisator macht und das herkömmliche Instabilitäts- und Wasserinkompatibilitätsproblem der künstlichen Photosynthese löst. Die elektrostatische Wechselwirkung zwischen dem Photosensibilisator und dem Kobaltkatalysator sowie der starke lichtsammelnde Antenneneffekt der Nanomicelle verbesserten den photokatalytischen Prozess.

Im Experiment stellte das Team fest, dass die Methanproduktionsrate mehr als 13.000 μmol h−1 g−1 betrug, mit einer Quantenausbeute von 5,6 % über 24 Stunden. Außerdem wurde ein hocheffizienter Solar-zu-Kraftstoff-Wirkungsgrad von 15 % erreicht, der die natürliche Photosynthese übertrifft.

Am wichtigsten ist, dass das neue künstliche photokatalytische System wirtschaftlich rentabel und nachhaltig ist, da es nicht auf teure Edelmetalle angewiesen ist. „Die hierarchische Selbstorganisation des Systems bietet eine vielversprechende Bottom-up-Strategie zur Schaffung eines präzise kontrollierten, leistungsstarken künstlichen photokatalytischen Systems auf Basis billiger, auf der Erde reichlich vorhandener Elemente wie Zink- und Kobalt-Porphyrin-Komplexe“, sagte Professor Ye.

Professor Ye sagte, er glaube, dass die neueste Entdeckung das rationale Design künftiger photokatalytischer Systeme zur Umwandlung und Reduzierung von Kohlendioxid mithilfe von Solarenergie fördern und inspirieren werde und so zum Ziel der CO2-Neutralität beitragen werde.

Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift veröffentlicht„Naturkatalyse“unter dem Titel„Künstliche sphärische Chromatophor-Nanomicellen zur selektiven CO2-Reduktion in Wasser“.

Die Erstautoren sindDr. Yu Junlai, vom Shanghai Institute of Organic Chemistry, undDr. Huang Libei , CityU PhD. Die entsprechenden Autoren sind Professor Ye,Professor David Lee Philips, von der HKU,Professor Du Lili, von der Jiangsu-Universität undProfessor Tian Jia, vom Shanghai Institute of Organic Chemistry.

Die Studie wurde von verschiedenen Finanzierungsquellen unterstützt, darunter der National Natural Science Foundation of China, dem Guangdong Basic and Applied Basic Research Fund, dem Shenzhen Science and Technology Program und dem Hong Kong Research Grant Council.

https://www.cityu.edu.hk/research/stories/2023/08/03/new-photocatalytic-system-converts-carbon-dioxide-valuable-fuel-more-efficiently-natural-photosynthesize

Naturkatalyse

10.1038/s41929-023-00962-z

Experimentelle Studie

Unzutreffend

Künstliche sphärische Chromatophor-Nanomicellen zur selektiven CO2-Reduktion in Wasser

18. Mai 2023

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