Các nhà nghiên cứu tại Đại học Quốc gia Singapore (NUS) đã phát triển một khung hữu cơ cộng hóa trị siêu nhỏ với các mạng cho-nhận dày đặc và các liên kết được thiết kế để sản xuất hydro peroxide (H 2 O 2 ) hiệu quả và sạch thông qua quá trình quang hợp với nước và không khí.
Một vật liệu khung hữu cơ cộng hóa trị sáu hóa trị (COF) được thiết kế mới bắt chước quá trình quang hợp. Nguồn: Đại học Quốc gia Singapore
Sản xuất công nghiệp truyền thống H 2 O 2 thông qua quy trình anthraquinone sử dụng hydro và oxy tiêu tốn nhiều năng lượng. Phương pháp này sử dụng dung môi độc hại và chất xúc tác kim loại quý đắt tiền và tạo ra chất thải đáng kể từ các phản ứng phụ.
Ngược lại, quá trình sản xuất xúc tác quang H 2 O 2 từ oxy và nước mang lại một lộ trình sạch, nhẹ và tiết kiệm năng lượng. Quan trọng nhất, nó giải quyết được những nhược điểm chung của các hệ thống xúc tác quang hiện có, chẳng hạn như hoạt tính thấp, sử dụng nhiều chất cho rượu hy sinh bổ sung và sự cần thiết phải cung cấp khí oxy nguyên chất.
Một nhóm nghiên cứu do Giáo sư Jiang Donglin từ Khoa Hóa học NUS dẫn đầu đã phát triển một loại chất xúc tác quang mới để quang hợp nhân tạo hiệu quả H 2 O 2 từ nước và không khí. Các nhà nghiên cứu đã xây dựng các khung hữu cơ cộng hóa trị sáu (COF) trong đó bộ xương được thiết kế thành các cột π chất nhận-cho để tạo ra các vị trí hoạt động xúc tác và tạo điện tích cảm ứng quang tốc độ cao.
Song song, lỗ chân lông được thiết kế với các kênh vi mô lượng giác nhạy cảm về mặt thủy lực để cung cấp ngay nước và oxy cho chất phản ứng. Kết quả là, các COF hóa trị sáu này tạo ra H 2 O 2 một cách tự nhiên và hiệu quả từ nước và không khí trong khí quyển khi tiếp xúc với ánh sáng khả kiến trong cả lò phản ứng theo mẻ và lò phản ứng dòng.
Trong điều kiện phòng thí nghiệm, COF chứng tỏ hiệu suất lượng tử là 17,5% dưới ánh sáng khả kiến ở bước sóng 420 nm trong các lò phản ứng theo mẻ. Hệ thống này có thể được phát triển để xây dựng các bề mặt tự làm sạch và xử lý khử trùng.
Các kết quả nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Nature Catalysis .
Giáo sư Jiang cho biết: "Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã giải quyết thành công một vấn đề quan trọng và phổ biến trong chất xúc tác quang, chất xúc tác điện và chất xúc tác không đồng nhất, đó là việc cung cấp điện tích và khối lượng hiệu quả cho các vị trí xúc tác. Chúng tôi tập trung vào thiết kế cấu trúc chính xác ở cấp độ nguyên tử để Việc khám phá cả khung và lỗ của COF đã dẫn đến việc tạo ra một hệ thống quang hợp nhân tạo để sản xuất H 2 O 2 , đạt được hiệu quả xúc tác quang học chưa từng có”.
