日本开发出不使用贵金属和稀有金属即可将CO2变成有用资源的光催化剂

新技术 2018年06月19日
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日本东京工业大学理学院化学系的教授石谷治、副教授前田和彦以及日本学术振兴会特别研究员栗木亮等人的研发小组,与法国巴黎第七大学的马克·罗伯特教授的研发小组合作,在日本科学技术振兴机构(JST)战略性创造研究推进事业CREST的国际业务强化支援项目的支援下,开发出了不使用贵金属和稀有金属,而是由有机半导体材料和铁络合物构成的光催化剂。向这种光催化剂照射可见光,能将二氧化碳(CO2)选择性地还原为一氧化碳(CO)。

以往开发的高效率CO2还原光催化剂大多都采用钌和铼等贵金属及稀有金属,而此次开发的光催化剂在完全不使用这些金属的情况下表现出了与以往基本相同的光催化剂性能。

此次的研究成果表明,仅采用贱金属和有机半导体材料的光催化剂也能利用太阳能,将导致地球变暖的主要原因CO2转换为有用的碳资源。

此项研究成果已于2018年6月12日(北京时间)以速报的形式发表在了美国化学学会杂志《Journal of the American Chemical Society》上。

<背景>

近年来,全球各国都在开发利用金属络合物和半导体作为光催化剂,将CO2还原为有用资源的技术。被称为“人工光合成”的这项技术实用化后,则可以利用太阳能为能源,把被视为地球变暖的“罪魁祸首”的CO2转换为有用的碳资源。

以往报告的高活性光催化剂都采用含钌、铼、钽等贵金属及稀有金属的络合物和无机半导体。但考虑到CO2的体量非常庞大,需要开发仅利用地球上大量存在的元素就能削减CO2的新型光催化剂。

<研究成果>

石谷教授等人研究发现,使由碳和氮构成的有机半导体氮化碳与铁络合物相结合作为光催化剂使用,能把CO2高效率还原为CO(图)。

这种光催化剂反应通过照射在太阳光的波长范围内也是主要成分的可见光进行。氮化碳吸收可见光,驱动电子从还原剂向作为催化剂的铁络合物移动。铁络合物利用该电子,将CO2还原为CO。作为性能指标的CO生成转换数、外部量子产率和CO2还原选择率分别达到155、4.2%和99%。

这些数值与采用贵金属及稀有金属络合物时基本相同,与已经报告的采用贱金属和有机分子的光催化剂相比,则高达10倍以上。

最终,研发小组将有机半导体氮化碳与由铁和有机物构成的络合物融合,作为光催化剂使用,向其照射可见光并且在常温常压的条件下,成功将CO2高效率还原为有用资源。

此次的成果证实,仅采用贱金属和有机半导体材料的光催化剂,也能有效利用太阳能,将地球变暖的主要原因CO2高效率转换为有用的碳资源。

日本开发出不使用贵金属和稀有金属即可将CO2变成有用资源的光催化剂

图:利用组合氮化碳和铁络合物的光催化剂实施的CO2还原反应

文 客观日本编辑部

参考文献:
貴金属、稀少金属を用いないCO2資源化光触媒を開発[网址]

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