Newswise – La creciente demanda de combustibles basados ​​en carbono para impulsar la economía continúa incrementando la cantidad de dióxido de carbono (CO2) en el aire. Si bien se están realizando esfuerzos para reducir las emisiones de CO2, esto no mitiga los efectos nocivos del gas que ya está presente en la atmósfera. Por ello, los investigadores han ideado formas creativas de utilizar el CO2 atmosférico convirtiéndolo en sustancias valiosas como el ácido fórmico (HCOOH) y el metanol. La fotorreducción de CO2 mediante fotocatalizadores que utilizan luz visible como catalizador es un método popular para dichas conversiones.
En el último avance, revelado en la edición internacional del 8 de mayo de 2023 de Angewandte Chemie, el profesor Kazuhiko Maeda y su equipo de investigación del Instituto Tecnológico de Tokio han logrado un progreso significativo. Han desarrollado con éxito una estructura metalorgánica (MOF) de estaño (Sn) que promueve la fotorreducción selectiva de CO₂. La MOF recientemente introducida se denominó KGF-10 y su fórmula química es [SnII₂(H₃ttc)₂.MeOH]n (H₃ttc: ácido tritiocianúrico, MeOH: metanol). Utilizando luz visible, KGF-10 convierte eficazmente el CO₂ en ácido fórmico (HCOOH). El profesor Maeda explicó: «Hasta la fecha, se han desarrollado numerosos fotocatalizadores de alta eficiencia para la reducción de CO₂ basados ​​en metales raros y nobles. Sin embargo, integrar las funciones de absorción de luz y catalíticas en una única unidad molecular compuesta por una gran cantidad de metales sigue siendo un desafío». Por lo tanto, el Sn demostró ser un candidato ideal para superar estos dos obstáculos.
Los MOF, que combinan las ventajas de los metales y los materiales orgánicos, se están explorando como una alternativa más ecológica a los fotocatalizadores tradicionales basados ​​en tierras raras. El Sn, conocido por su doble función como catalizador y absorbente de luz en los procesos de fotocatálisis, podría ser una opción viable para los fotocatalizadores basados ​​en MOF. Si bien los MOF compuestos de circonio, hierro y plomo se han estudiado ampliamente, su conocimiento sobre los MOF basados ​​en Sn aún es limitado. Se requieren más estudios para explorar a fondo las posibilidades y las posibles aplicaciones de los MOF basados ​​en Sn en el campo de la fotocatálisis.
Para sintetizar el MOF KGF-10 a base de estaño, los investigadores utilizaron H₃ttc (ácido tritiocianúrico), MeOH (metanol) y cloruro de estaño como componentes iniciales. Eligieron 1,3-dimetil-2-fenil-2,3-dihidro-1H-benzo[d]imidazol como donador de electrones y fuente de hidrógeno. Tras la síntesis, el KGF-10 obtenido se sometió a diversos métodos analíticos. Estas pruebas demostraron que el material posee una moderada capacidad de adsorción de CO₂ con una banda prohibida de 2,5 eV y una absorción efectiva en el rango de longitud de onda visible.
Conociendo las propiedades físicas y químicas del nuevo material, los científicos lo utilizaron para catalizar la reducción de dióxido de carbono mediante luz visible. Cabe destacar que el KGF-10 logra una conversión de CO₂ a formiato (HCOO₂) con una selectividad de hasta el 99 % sin necesidad de fotosensibilizador ni catalizador auxiliar. Además, el KGF-10 demostró un rendimiento cuántico aparente sin precedentes (una medida de la eficiencia del uso de fotones), alcanzando un valor del 9,8 % a 400 nm. Cabe destacar que el análisis estructural realizado durante la reacción fotocatalítica mostró que el KGF-10 sufre una modificación estructural para facilitar el proceso de reducción.
Esta investigación pionera presenta un fotocatalizador KGF-10 de alto rendimiento basado en estaño, sin necesidad de metales nobles, como catalizador unidireccional para la reducción de CO₂ a formiato mediante luz visible. Las extraordinarias propiedades del KGF-10 demostradas en este estudio podrían revolucionar su uso como fotocatalizador en diversas aplicaciones, incluyendo la reducción de CO₂ solar. El profesor Maeda concluye: «Nuestros resultados indican que los MOF pueden servir como plataforma para desarrollar capacidades fotocatalíticas superiores mediante el uso de metales no tóxicos, rentables y abundantes presentes en la Tierra, que a menudo son complejos metálicos moleculares. Inalcanzable». Este descubrimiento abre nuevas posibilidades en el campo de la fotocatálisis y allana el camino para el uso sostenible y eficiente de los recursos de la Tierra.
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