Un nuovo metodo di sintesi assistita a microonde ha notevolmente potenziato le prestazioni di un fotocatalizzatore a polimero di coordinazione precedentemente noto. La trasformazione dell’anidride carbonica (CO2) in sostanze chimiche di valore rappresenta una strategia entusiasmante per ridurre le emissioni di CO2 e contrastare il cambiamento climatico. Nel campo della scienza dei materiali funzionali, progettare fotocatalizzatori che sfruttano l’energia luminosa per agevolare la conversione della CO2 è un obiettivo di primaria importanza.
I polimeri di coordinazione (CP) sono una scelta particolarmente attraente tra i vari tipi di fotocatalizzatori disponibili. Questi materiali eterogenei possono integrare sia le funzioni di assorbimento della luce che di catalizzatori per la riduzione della CO2. Inoltre, i CP possono essere sintetizzati con metalli abbondanti sulla Terra e molecole organiche, rendendoli ampiamente utilizzabili a livello industriale.
Nell’agosto 2022, il Professor Kazuhiko Maeda e il suo team dell’Istituto di Scienza di Tokyo, Giappone, hanno presentato un CP denominato KGF-9, privo di metalli preziosi, che ha agito come fotocatalizzatore autonomo per la conversione della CO2 in formiato. Sebbene KGF-9 fosse altamente selettivo, la sua attività fotocatalitica era limitata, come dimostrato dal basso rendimento quantico apparente (AQY). Tuttavia, in uno studio più recente pubblicato su Advanced Functional Materials il 13 novembre 2024, Maeda e il suo team sono riusciti a potenziare significativamente le prestazioni di KGF-9 attraverso un nuovo approccio di sintesi, rivelando il suo potenziale inesplorato.
Una svolta nella sintesi assistita a microonde è stata l’adozione di un metodo solvotermico assistito a microonde, che implica il riscaldamento di una soluzione in un contenitore sigillato utilizzando microonde. Questo tipo di riscaldamento volumetrico diretto e uniforme ha accelerato la produzione di KGF-9 da due giorni interi a soli un’ora, generando anche altri effetti positivi.
Un’analisi dettagliata dei campioni prodotti ha rivelato che il metodo assistito a microonde ha generato sottili fibrille di KGF-9 con una superficie specifica e cristallinità notevolmente superiori rispetto al processo di sintesi precedente. I successivi esperimenti fotocatalitici hanno dimostrato che questi miglioramenti hanno portato a un significativo aumento dell’AQY per la conversione della CO2 in formiato. In termini numerici, l’AQY del KGF-9 appena sintetizzato è stato del 25%, rappresentando un aumento quasi decuplicato rispetto al valore del 2,6% precedentemente riportato. Questo AQY costituisce un record tra i fotocatalizzatori eterogenei per la conversione della CO2 in formiato, eguagliando addirittura l’AQY riportato per i fotocatalizzatori omogenei, come sottolineato da Maeda.
Per comprendere i meccanismi alla base dei miglioramenti osservati nella conversione della CO2 in formiato, il team di ricerca ha condotto studi meccanicistici. Attraverso un’analisi approfondita, è emerso che la produzione di KGF-9 cristallino con pochi difetti superficiali è stata un fattore determinante. Inoltre, combinando KGF-9 con un conduttore carbonioso, è stato scoperto che questo composto è adatto anche per la riduzione elettrocatalitica della CO2, utilizzando l’elettricità in un ambiente acquoso anziché la luce per guidare la conversione della CO2 in formiato.
Nel complesso, i risultati di questo studio delineano un futuro promettente per KGF-9 e fotocatalizzatori simili, che potrebbero presto diventare essenziali nei nostri sforzi verso società sostenibili. Con un po’ di fortuna, questi materiali economici e versatili potrebbero contribuire al raggiungimento della neutralità carbonica per preservare i nostri ecosistemi da ulteriori danni.
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