Вчені розробили органічний каркасний матеріал, що імітує фотосинтез

Вчені з Національного університету Сінгапуру (NUS) створили мікропористу ковалентну органічну структуру з щільними донорно-акцепторними ґратками та сконструйованими зв’язками для ефективного та чистого виробництва перекису водню (H₂O₂) за допомогою процесу фотосинтезу з водою та повітрям.

Традиційне промислове виробництво H₂O₂ за допомогою антрахінонового процесу з використанням водню та кисню є дуже енергоємним. Цей підхід використовує токсичні розчинники та дорогі каталізатори з благородних металів і створює значні відходи від побічних реакцій.

Навпаки, фотокаталітичне виробництво H₂O₂ з кисню та води пропонує енергоефективний, м’який і чистий шлях. Найважливіше те, що він усуває загальні недоліки існуючих фотокаталітичних систем, такі як низька активність, інтенсивне використання додаткових жертовних спиртових донорів і необхідність введення чистого кисню.

Прорив дослідників NUS

Дослідницька група під керівництвом професора Цзяна Дунліна з кафедри хімії NUS розробила новий тип фотокаталізатора для ефективного штучного фотосинтезу H₂O₂ з води та повітря.

Дослідники сконструювали шестивалентні ковалентні органічні каркаси (COF), в яких скелет розроблений як донорно-акцепторні π-колонки для високошвидкісного фотоіндукованого генерування заряду та каталітичних активних центрів. Паралельно, пори розроблені з гідравлічно чутливими тригональними мікропористими каналами для негайної доставки реагентів води та кисню.

Як наслідок, ці шестивалентні COF виробляють H₂O₂ спонтанно та ефективно з води та атмосферного повітря під впливом видимого світла як у періодичному, так і в проточному реакторах. У лабораторних умовах COF демонструють квантову ефективність 17,5 відсотка у видимому світлі при 420 нм у реакторах періодичної дії. Цю систему можна розробити для створення поверхонь, що самоочищаються, і для дезінфекції.

Результати дослідження нещодавно були опубліковані в журналі Nature Catalysis.

Професор Цзян сказав: «У цій роботі ми успішно вирішили ключову та загальну проблему фотокаталізаторів, електрокаталізаторів і гетерогенних каталізаторів, яка полягає в ефективному забезпеченні зарядами та масою каталітичних центрів. Наша зосередженість на точному структурному дизайні на атомному рівні для дослідження як скелетів, так і пор COF привела до створення системи штучного фотосинтезу для виробництва H₂O₂, досягнувши безпрецедентної фотокаталітичної ефективності».