מדענים פיתחו שיטה פוטו-קטליטית חדשה לייצור מי חמצן באמצעות מים ואוויר, תוך שימוש במסגרת אורגנית קוולנטית חדשה. שיטה זו חסכונית באנרגיה וידידותית לסביבה, בניגוד חד לתהליך האנתרקינון המסורתי והמסוכן יותר.
מדענים מהאוניברסיטה הלאומית של סינגפור (NUS) יצרו מסגרת אורגנית קוולנטית מיקרו-נקבובית עם רשתות תורם-מקבל צפופות וקשרים מהונדסים לייצור יעיל ונקי של מי חמצן (H2O2) דרך ה פוטוסינתזה תהליך עם מים ואוויר.
ייצור תעשייתי מסורתי של H2O2 באמצעות תהליך האנתרקינון באמצעות מימן וחמצן, הוא עתיר אנרגיה. גישה זו משתמשת בממיסים רעילים ובזרזים יקרים של מתכת אצילה, ויוצרת פסולת משמעותית מתגובות לוואי.
האיור מציג חומר מסגרת אורגנית משושה קוולנטית (COF) שעוצב לאחרונה המחקה פוטוסינתזה. (משמאל) אור מפעיל את העברה של אלקטרון מאתר תורם לאתר מקבל בתוך החומר (מסומן בחצים אדומים). תהליך זה מעביר ארבעה מטענים חיוביים לאתר התורם, המשמשים לאחר מכן לפיצול מולקולות מים לחמצן (מסומן בחצים ירוקים). באתר המקבל, שני אלקטרונים מתחברים עם חמצן לייצור מי חמצן (מסומן בחץ כחול). (מימין) מבנה החומר מאפשר תנועה יעילה של אלקטרונים (מוצג בצהוב), מטענים חיוביים (מוצגים בכחול), מים וחמצן לאורך השכבה הבודדת. לחומר זה יש פוטנציאל להמיר אנרגיית אור לאנרגיה כימית באופן דומה לפוטוסינתזה טבעית. קרדיט: האוניברסיטה הלאומית של סינגפור
לעומת זאת, ייצור פוטו-קטליטי של H2O2 מחמצן ומים מציע מסלול חסכוני באנרגיה, מתון ונקי. והכי חשוב, הוא נותן מענה לחסרונות הנפוצים של מערכות פוטו-קטליטיות קיימות, כגון פעילות נמוכה, שימוש רב בתורמים נוספים של אלכוהול, והצורך בהזנת גז חמצן טהור.
פריצת דרך של חוקרי NUS
צוות מחקר בראשות פרופסור ג'יאנג דונגלין מהמחלקה לכימיה של NUS פיתח סוג חדש של פוטו זרז לפוטוסינתזה מלאכותית יעילה של H2O2 ממים ואוויר.
החוקרים בנו מסגרות אורגניות קוולנטיות (COFs) שבהן השלד מתוכנן להיות עמודות π של תורם ליצירת מטען המושרה על ידי צילום ואתרים פעילים קטליטיים בקצב גבוה. במקביל, הנקבובית מתוכננת עם תעלות מיקרו-נקביות טריגונליות רגישות הידראולית לאספקה מיידית של מגיבים מים וחמצן.
כתוצאה מכך, COFs hexavalent אלה מייצרים H2O2 באופן ספונטני ויעיל ממים ואוויר אטמוספרי כאשר הם נחשפים לאור הנראה בכורים אצווה וזרימה כאחד. בתנאי מעבדה, ה-COFs מדגימים יעילות קוונטית של 17.5 אחוזים באור נראה ב-420 ננומטר בכורים אצווה. ניתן לפתח מערכת זו לבניית משטחים לניקוי עצמי ולטיפולי חיטוי.
ממצאי המחקר פורסמו לאחרונה בכתב העת קטליזה של הטבע.
פרופ' ג'יאנג אמר, "בעבודה זו, טיפלנו בהצלחה בסוגיה מרכזית ונפוצה בפוטו-זרזים, אלקטרו-זרזים וזרזים הטרוגניים, שהוא אספקה יעילה של מטענים ומסה לאתרים קטליטיים. ההתמקדות שלנו בתכנון מבני מדויק ברמה האטומית כדי לחקור גם את השלדים וגם הנקבוביות של COFs הובילה ליצירת מערכת פוטוסינתזה מלאכותית עבור H2O2 ייצור, השגת יעילות פוטו-קטליטית חסרת תקדים."
