Dosiahnutie tandemovej fotokatalýzy CO2 na C2H4

Fotokatalytická konverzia CO₂ do C₂₊ výrobky ako etylén sú sľubnou cestou k cieľu uhlíkovej neutrality, ale zostávajú veľkou výzvou kvôli vysokej aktivačnej bariére pre CO₂ a podobné redukčné potenciály mnohých možných multielektrónových transferových produktov. V štúdii publikovanej v časopise Journal of the American Chemical Society, výskumná skupina vedená profesorom Cao Rongom a prof. Huang Yuanbiao z Fujian Institute of Research on the Structure of Matter Čínskej akadémie vied uviedla stratégiu tandemovej fotokatalýzy na podporu konverzie CO₂ na etylén. Výskumníci vyvinuli túto stratégiu tandemovej fotokatalýzy konštrukciou synergických duálnych miest v rhenium-(I) bipyridine fac-[Re^Ja(BPY) (SK)₃Cl] (Re-bpy) a medeno-porfyrínový triazínový rámec (PTF(Cu)). S týmito dvoma katalyzátormi vyrobili veľké množstvo etylénu rýchlosťou 73,2 μmol g^-1 h^-1 pri ožarovaní viditeľným svetlom. Etylén nie je možné získať z CO₂ použitím ktorejkoľvek zložky Re-bpy alebo PTF(Cu). Iba monokarbónový produkt CO sa vyrába za podobných podmienok s jedným katalyzátorom. V tandemovom fotokatalytickom systéme vedci zistili, že CO generovaný na miestach Re-bpy bol adsorbovaný blízkymi jednotlivými miestami Cu v PTF(Cu), po čom nasledoval synergický proces spájania C-C, ktorý nakoniec produkuje etylén. Na základe analýzy in situ infračervenej Fourierovej transformačnej spektroskopie (DRIFTS) spektiera a výpočtov funkcionálnej teórie hustoty (DFT) výskumníci fotoredukovali CO₂ na Re-bpy-CO * nad Re-bpy, z ktorého môže byť časť CO desorbovaná a presunutá do blízkeho PTF(Cu), kde je adsorbovaná jednoatómovým miestom Cu za vzniku PTF(Cu)-CO*. Okrem toho došlo k väzbe C-C v synergii medziproduktov PTF(Cu)-CO* a Re-bpy-CO* za vzniku Re-*CO-CO*-Cu, ktorý bol nakoniec redukovaný a uvoľnený ako etylén s viacstupňovými procesmi prenosu elektrónov spojených s protónmi (PCET). Výpočty DFT ukázali, že proces spájania medzi PTF(Cu)-*CO a Re-bpy-*CO na vytvorenie kľúčového medziproduktu Re-bpy-*CO-*CO-PTF(Cu) je pre C životne dôležitý₂H₄ výroba. Táto štúdia poskytuje nový spôsob navrhovania účinných fotokatalyzátorov pre fotokoverziu CO₂ až C₂ výrobky prostredníctvom tandemového procesu poháňaného viditeľným svetlom za miernych podmienok (Liou Ťia, Čínska akadémia vied).