Команда, возглавляемая профессором Ин Су-Илом из департамента энергетики DGIST, разработала высокоэффективный фотокатализатор, способный преобразовывать диоксид углерода (CO2), основной фактор глобального потепления, в энергетический ресурс метан.
Исследовательская группа оптимизировала состав сокатализаторов из наночастиц и легирования рутением, чтобы максимизировать оптические и электрические свойства фотокатализатора.
Одновременно они улучшили эффективность преобразования метана за счет усиления адсорбции CO2 за счет гидроксильной обработки поверхности. Исследовательская группа ожидает, что эта технология будет применима для улавливания углерода и утилизации, что позволит контролировать постоянно растущую концентрацию атмосферного CO2 при преобразовании его в метан.
В 2022 году глобальная концентрация CO2 превысила 420 частей на миллион, что является самым высоким уровнем за 4,1 миллиона лет. Беспрецедентный рост концентрации СО2 в атмосфере привел к климатическим катастрофам по всему миру, включая экономические потери в размере 20 миллиардов долларов США (примерно 25,4 триллиона вон) из-за засух в Европе и рекордных проливных дождей на Корейском полуострове.
Для решения этой проблемы следует снизить концентрацию CO2, являющегося причиной климатических катастроф. Всемирный экономический форум определил «солнечные соединения», способные превращать СО2, основной фактор глобального потепления, в различные виды топлива с использованием солнечной энергии, в качестве одной из десяти перспективных технологий 2020 года.
Среди технологий солнечных соединений фотокатализаторы, которые превращают высокостабильный CO2 в топливо, такое как метан, используя только солнечный свет и фотокатализаторы посредством газофазных реакций, привлекают внимание как ключевые технологии для химической промышленности будущего, с целью снижения содержания атмосферного CO2 и одновременного производства топлива.
Однако в настоящее время коммерческие фотокатализаторы, такие как P25, имеют ограничения, такие как большая запрещенная зона, которая предотвращает поглощение видимого света и медленную передачу заряда. В нескольких исследованиях предпринимались попытки решить эти проблемы. Однако проблемы с разработкой высокоэффективных фотокатализаторов сохраняются из-за присущих им проблем, таких как низкая адсорбция CO2 и эффективность конверсии в газофазных реакциях.
Исследовательская группа DGIST во главе с профессором Ин Су-Ил разработала высокоэффективный фотокатализатор, присоединив сокатализаторы из наночастиц серебра к P25, изготовленному из диоксида титана, и улучшив характеристики переноса заряда с помощью легирования рутением. Они также решили проблему низкой концентрации CO2 на поверхности катализатора во время газофазных реакций путем образования гидроксильных групп на поверхности фотокатализатора путем обработки перекисью водорода.
Исследовательская группа продемонстрировала, что электроны накапливаются в промежуточном состоянии зонной структуры P25 за счет легирования рутением. Затем эти накопленные электроны передаются сокатализатору из наночастиц серебра, превращая CO2 в метан.
Команда также определила оптимальный состав для эффективного получения метана из CO2, проанализировав сокатализатор из наночастиц серебра и легирование рутением. Кроме того, измеряя количество адсорбированного CO2, они доказали, что поверхность фотокатализатора адсорбировала более кислый CO2, когда его подщелачивали перекисью водорода.
Профессор Ин Су-Ил из DGIST заявил: «Недавно разработанный фотокатализатор улучшает поглощение видимого света, адсорбцию СО2 и возможности переноса электронов одновременно. Они преобразуют в 135 раз больше метана с селективностью 95% по сравнению с используемыми в настоящее время коммерческими фотокатализаторами P25 и сохраняют стабильность более 96% даже после 24 часов непрерывной работы. Мы проведем последующие исследования для улучшения стабильности и селективности углеводородов для практического применения этой технологии».