Osiągnięcie fotokatalizy tandemowej CO2 do C2H4

Fotokatalityczna konwersja CO₂ do C₂₊ produkty takie jak etylen stanowią obiecującą drogę do celu, jakim jest neutralność pod względem emisji dwutlenku węgla, pozostają jednak głównym wyzwaniem ze względu na wysoką barierę aktywacji CO₂ i podobne potencjały redukcyjne wielu możliwych produktów transferu wieloelektronowego. W badaniu opublikowanym w Dziennik Amerykańskiego Towarzystwa Chemicznego, grupa badawcza kierowana przez profesora Cao Ronga i prof. Huang Yuanbiao z Instytutu Badań nad Strukturą Materii Fujian Chińskiej Akademii Nauk poinformował o strategii fotokatalizy tandemowej mającej na celu promowanie konwersji CO₂ do etylenu. Naukowcy opracowali tę strategię fotokatalizy tandemowej, konstruując synergiczne podwójne miejsca w renie-(I)bipirydynie fac-[Re^Ja(BPY) (SK)₃Cl] (Re-bpy) i szkielet triazynowo-porfiryno-miedziany (PTF(Cu)). Dzięki tym dwóm katalizatorom wytworzono dużą ilość etylenu z szybkością 73,2 μmol·g^-1 H^-1 pod wpływem światła widzialnego. Etylenu nie można otrzymać z CO₂ przy użyciu dowolnego komponentu Re-bpy lub PTF(Cu). Tylko monowęglowy produkt CO jest wytwarzany w podobnych warunkach przy użyciu jednego katalizatora. W tandemowym układzie fotokatalitycznym naukowcy odkryli, że CO wytwarzany w ośrodkach Re-bpy był adsorbowany przez pobliskie pojedyncze miejsca Cu w PTF(Cu), po czym następował synergistyczny proces sprzęgania CC, który ostatecznie prowadził do wytworzenia etylenu. W oparciu o analizę widma w podczerwieni z transformacją Fouriera (DRIFTS) in situ i obliczenia teorii funkcjonału gęstości (DFT), badacze fotoredukowali CO₂ do Re-bpy-CO * powyżej Re-bpy, z którego część CO może zostać zdesorbowana i przeniesiona do pobliskiego PTF(Cu), gdzie jest on adsorbowany przez jednoatomowe miejsce Cu, tworząc PTF(Cu)-CO*. Ponadto sprzęganie CC zachodziło w sposób synergiczny pomiędzy związkami pośrednimi PTF(Cu)-CO* i Re-bpy-CO*, tworząc Re-*CO-CO*-Cu, który ostatecznie został zredukowany i uwolniony jako etylen w wieloetapowych procesach przenoszenia elektronów sprzężone z protonami (PCET). Obliczenia DFT wykazały, że proces sprzęgania pomiędzy PTF(Cu)-*CO i Re-bpy-*CO w celu utworzenia kluczowego związku pośredniego Re-bpy-*CO-*CO-PTF(Cu) jest niezbędny dla C₂H₄ produkcja. Badanie to zapewnia nowy sposób projektowania wydajnych fotokatalizatorów do fotokonwersji CO₂ do C₂ produktów w procesie tandemowym napędzanym światłem widzialnym w łagodnych warunkach (Liou Jia, Chińska Akademia Nauk).