Bidirektionale Wirt-Gast-Wechselwirkungen fördern die selektive photokatalytische Kohlendioxidreduktion

Der Bau hocheffizienter künstlicher Photosynthesesysteme zur Umwandlung von CO2 in vielseitige Chemikalien ist ein nachhaltiger Weg zur Linderung der globalen Erwärmung und der anhaltenden Energiekrise. Um künstliche Photosynthesetechnologien in die Praxis umzusetzen, wird ein Kohlenstoffkreislauf aus CO2-Reduktion gekoppelt mit H2O-Oxidation als idealer Ansatz zur Umwandlung von Sonnenenergie in chemische Energie angesehen, wie er bei der Photosynthese in der Natur durchgeführt wird.

Allerdings schränkt die erhebliche kinetische Barriere für die Wasseroxidationsreaktion die photokatalytische Effizienz der CO2-Reduktion ein. Daher wurden zusätzliche Elektronenopfermittel als Elektronendonatoren eingesetzt, um die photokatalytische Reduktion von CO2 zu fördern.

Der Verbrauch von Opfermitteln ist jedoch nicht nur wirtschaftlich nicht machbar, sondern verschwendet auch die Oxidationskapazität der photogenerierten Löcher. In dieser Hinsicht ist die Kopplung des CO2-Reduktionsprozesses mit der Oxidation organischer Stoffe zur Gewinnung hochwertiger Chemikalien eine vielversprechende Strategie für die praktische Anwendung. Wenn die organischen Stoffe zudem aus Biomasse gewonnen werden, werden nur nahezu erneuerbare Rohstoffe verbraucht.

Um die Effizienz des Elektronentransfers im photokatalytischen System zu verbessern, haben Forscher versucht, den Abstand zwischen Katalysator und Photosensibilisator zu verkürzen, indem sie eine „Brücke“ zwischen ihnen gebaut haben. Allerdings sind zusätzlich zu edelmetallbasierten Katalysatoren komplizierte Syntheseverfahren erforderlich, und der mögliche Bruch kovalenter Bindungen während des Elektronentransportprozesses kann zu einem irreversiblen Verlust der Stabilität und Aktivität des Systems führen.

Kürzlich berichtete ein Forschungsteam unter der Leitung von Prof. Tong-Bu Lu von der Tianjin University of Technology, China, über bidirektionale Wirt-Gast-Wechselwirkungen zwischen dem Photosensibilisator und dem Katalysator/Reaktanten, bei denen sich Katalysator und Reaktant gleichzeitig auf der Oberfläche ansammelten des Photosensibilisators.

Der direkte Kontakt zwischen dem Photosensibilisator und dem Katalysator/Reaktanten verkürzt die Übertragungsstrecke der photogenerierten Träger und kann so die photokatalytische CO2-Reduktion zu HCOOH drastisch steigern, mit einer Ausbeute von 1610 μmol g-1 h-1 und einer Selektivität von 96,5 %. Mittlerweile können die photogenerierten Löcher in CdS auch durch β-CD-gebundenen Furfurylalkohol schnell vernichtet werden, wodurch eine Furfuralausbeute von 1567 μmol g-1 h-1 und eine Selektivität von > 99 % erreicht werden.

Diese Arbeit eröffnet einen neuen Weg zur einfachen Konstruktion hocheffizienter künstlicher Photosynthesesysteme für die praktische Anwendung. Die Ergebnisse wurden veröffentlicht in Chinesisches Journal für Katalyse.