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La continua demanda económica de combustibles con alto contenido de carbono ha provocado un aumento del dióxido de carbono (CO2) en la atmósfera. Aunque se realizan esfuerzos para reducir las emisiones de dióxido de carbono, estos no son suficientes para revertir los efectos nocivos del gas que ya se encuentra en la atmósfera.
Por ello, los científicos han desarrollado formas creativas de utilizar el dióxido de carbono presente en la atmósfera, convirtiéndolo en moléculas útiles como el ácido fórmico (HCOOH) y el metanol. La fotorreducción fotocatalítica del dióxido de carbono mediante luz visible es un método común para estas transformaciones.
Un equipo de científicos del Instituto Tecnológico de Tokio, dirigido por el profesor Kazuhiko Maeda, ha logrado un gran progreso y lo ha documentado en la publicación internacional “Angewandte Chemie” del 8 de mayo de 2023.
Crearon una estructura metalorgánica (MOF) a base de estaño que permite la fotorreducción selectiva del dióxido de carbono. Los investigadores crearon una nueva MOF a base de estaño (Sn) con la fórmula química [SnII₂(H₃ttc)₂.MeOH]n (H₃ttc: ácido tritiocianúrico y MeOH: metanol).
La mayoría de los fotocatalizadores de CO₂ basados ​​en luz visible de alta eficiencia utilizan metales preciosos raros como componentes principales. Además, la integración de la absorción de luz y las funciones catalíticas en una única unidad molecular compuesta por un gran número de metales sigue siendo un reto persistente. Por lo tanto, el Sn es un candidato ideal, ya que puede resolver ambos problemas.
Los MOF son los mejores materiales para metales y materiales orgánicos, y se están estudiando como una alternativa más ecológica a los fotocatalizadores de tierras raras tradicionales.
El Sn es una opción potencial para los fotocatalizadores basados ​​en MOF, ya que puede actuar como catalizador y depurador durante el proceso fotocatalítico. Si bien los MOF basados ​​en plomo, hierro y circonio se han estudiado ampliamente, se sabe poco sobre los basados ​​en estaño.
Se utilizaron H3ttc, MeOH y cloruro de estaño como ingredientes de partida para preparar el MOF KGF-10 basado en estaño, y los investigadores decidieron utilizar 1,3-dimetil-2-fenil-2,3-dihidro-1H-benzo[d]imidazol, que actúa como donante de electrones y fuente de hidrógeno.
El KGF-10 resultante se somete a diversos procesos analíticos. Se descubrió que el material tiene una banda prohibida de 2,5 eV, absorbe longitudes de onda de luz visible y posee una capacidad moderada de adsorción de dióxido de carbono.
Una vez que los científicos comprendieron las propiedades físicas y químicas de este nuevo material, lo utilizaron para catalizar la reducción de dióxido de carbono en presencia de luz visible. Descubrieron que el KGF-10 puede convertir CO2 en formiato (HCOO–) de forma eficiente y selectiva con una eficiencia de hasta el 99 % sin necesidad de fotosensibilizadores ni catalizadores adicionales.
También presenta un rendimiento cuántico aparente (la relación entre el número de electrones involucrados en la reacción y el número total de fotones incidentes) récord, del 9,8 % a una longitud de onda de 400 nm. Además, el análisis estructural realizado durante la reacción mostró que el KGF-10 experimentó modificaciones estructurales que promovieron la reducción fotocatalítica.
Este estudio presenta por primera vez un fotocatalizador monocomponente altamente eficiente, basado en estaño y libre de metales preciosos, para acelerar la conversión de dióxido de carbono en formiato. Las extraordinarias propiedades del KGF-10 descubiertas por el equipo abren nuevas posibilidades para su uso como fotocatalizador en procesos como la reducción de emisiones de CO2 mediante energía solar.
El profesor Maeda concluyó: «Nuestros resultados indican que los MOF pueden servir como plataforma para utilizar metales no tóxicos, de bajo costo y ricos en tierra para crear funciones fotocatalíticas superiores que normalmente son inalcanzables utilizando complejos metálicos moleculares».
Kamakura Y et al. (2023) Las estructuras metalorgánicas basadas en estaño(II) permiten la reducción eficiente y selectiva del dióxido de carbono a su formación bajo luz visible. Química Aplicada, Edición Internacional. doi:10.1002/ani.202305923
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