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La continua demanda de combustibles con alto contenido de carbono por parte de la economía ha provocado un aumento del dióxido de carbono (CO2) en la atmósfera. Incluso si se realizan esfuerzos para reducir las emisiones de dióxido de carbono, estos no son suficientes para revertir los efectos nocivos de este gas que ya se encuentra en la atmósfera.
Por ello, los científicos han desarrollado métodos ingeniosos para aprovechar el dióxido de carbono presente en la atmósfera, transformándolo 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 este tipo de transformaciones.
Un equipo de científicos del Instituto Tecnológico de Tokio, liderado por el profesor Kazuhiko Maeda, ha logrado importantes avances y los ha documentado en la publicación internacional “Angewandte Chemie”, con fecha 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. Sin embargo, la integración de la absorción de luz y las funciones catalíticas en una sola unidad molecular compuesta por una gran cantidad de metales sigue siendo un desafío de larga data. Por lo tanto, el estaño (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 tradicionales de tierras raras.
El estaño (Sn) es una opción prometedora para los fotocatalizadores basados ​​en MOF, ya que puede actuar como catalizador y captador de radicales libres durante el proceso fotocatalítico. Si bien los MOF basados ​​en plomo, hierro y circonio han sido ampliamente estudiados, se sabe poco sobre los MOF basados ​​en estaño.
Se utilizaron H3ttc, MeOH y cloruro de estaño como ingredientes de partida para preparar el MOF KGF-10 a base de estaño, y los investigadores decidieron utilizar 1,3-dimetil-2-fenil-2,3-dihidro-1H-benzo[d]imidazol, que actúa como donador 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 de adsorción de dióxido de carbono moderada.
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 de manera eficiente y selectiva el CO2 en formato (HCOO–) con una eficiencia de hasta el 99%, sin necesidad de fotosensibilizadores ni catalizadores adicionales.
Además, presenta un rendimiento cuántico aparente récord (la relación entre el número de electrones involucrados en la reacción y el número total de fotones incidentes) del 9,8 % a una longitud de onda de 400 nm. Asimismo, el análisis estructural realizado durante la reacción demostró que el KGF-10 experimentó modificaciones estructurales que favorecieron la reducción fotocatalítica.
Este estudio presenta por primera vez un fotocatalizador de estaño de un solo componente, altamente eficiente y libre de metales preciosos, para acelerar la conversión de dióxido de carbono en formato. 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 abundantes en la Tierra para crear funciones fotocatalíticas superiores que normalmente son inalcanzables utilizando complejos metálicos moleculares”.
Kamakura Y et al (2023) Los marcos metalorgánicos basados ​​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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