Die Nutzung von Solarenergie zur Umwandlung von CO2 in synthetische Kraftstoffe ist derzeit eine der vielversprechendsten Technologien, um durch die Einbettung nachhaltiger Energie in unsere moderne Wirtschaft CO2-Neutralität zu erreichen. Die Effizienz der photokatalytischen CO2-Umwandlung ist jedoch aufgrund der hohen thermodynamischen Stabilität der CO2-Moleküle und ihres Mehrelektronen-Reduktionsprozesses stark begrenzt.
Die Synthese stabiler Einzelatom-Katalysatoren mit hoher Metallbeladung ist wünschenswert, um die photokatalytische CO2-Leistung zu steigern, was jedoch eine große Herausforderung geblieben ist. Um diese Herausforderung zu bewältigen, wurde eine Studie von den Gruppen von Prof. Yongfeng Zhou und Prof. Yiyong Mai (School of Chemistry and Chemical Engineering, Shanghai Jiao Tong University) durchgeführt.
Sie entwickelten eine Bottom-up-Synthesestrategie für den Aufbau ultradünner MOF-Nanoblätter, die mit Co-Einzelatomen koordiniert sind, indem sie direkt CoII-Tetrakis(4-carboxyphenyl)porphyrin (CoTCPP) als Linker und Cu2-(COO)4-Schaufelradcluster als Metall verwendeten Knoten. Die Bottom-up-Strategie vermeidet die langwierigen Exfoliationsverfahren und niedrigen Ausbeuten, die beim Top-down-Syntheseansatz auftreten.
Da die Co-Zentren vor der MOF-Bildung innerhalb der Porphyrinringe koordiniert wurden, wurden Co-Einzelatome mit einer hohen Beladung von 6,0 Gew.-% auf den MOF-Nanoblättern erreicht. Die erhaltenen MOF-Nanoblätter zeigten eine ultradünne Dicke von 2,4 ± 0,5 nm und mikrometergroße Seitenabmessungen.
Eine 2-D-Morphologie mit einem so großen Seitenverhältnis in Verbindung mit dem hohen Gehalt an Co-Einzelatomen ermöglichte reichlich zugängliche aktive Zentren auf den Katalysatoroberflächen und verhinderte auch effektiv die Elektron-Loch-Rekombination, indem die Diffusionslänge von Ladungsträgern aus dem Materialinneren verkürzt wurde zu der Oberfläche.
Als Katalysator für die photokatalytische CO2-Reduktion durch sichtbares Licht zeigten Co-MNSs eine hohe CO2-zu-CO-Produktionsrate von 7.041 μmol g−1 h −1 und eine bemerkenswerte Selektivität von 86 % in wässrigen Medien bei λ > 420 nm Lichteinstrahlung, die zu den Spitzenleistungen der beschriebenen MOF-basierten Photokatalysatoren gehört.
Diese Studie eröffnet einen neuen Weg für die Synthese von stabilen 2-D-Einzelatomkatalysatoren mit hoher Beladung mit einzelnen Metallatomen und regt auch zukünftige Bestrebungen an, effiziente Photokatalysatoren für wichtige, aber thermodynamisch schwierige Reaktionen zu entwickeln.
Die Studie wird in der Zeitschrift veröffentlicht Wissenschaft China Chemie.
Mehr Informationen:
Quan Zuo et al, Hochbeladene einzelne Kobaltatome auf ultradünnen MOF-Nanoblättern für eine effiziente photokatalytische CO2-Reduktion, Wissenschaft China Chemie (2023). DOI: 10.1007/s11426-022-1498-y