В связи с регулируемым распределением размеров пор, высокой удельной площадью поверхности и перестраиваемыми свойствами, электрокатализаторы и фотокатализаторы на основе металлоорганических структур признаны перспективными кандидатами на снижение выбросов CO2.
Чрезмерное потребление ископаемого топлива не только провоцирует энергетический кризис, но и вызывает большое количество выбросов CO2 и приводит к возможным изменениям климата. Концентрация CO2 в атмосфере возросла примерно на 30% с доиндустриального периода.
Поскольку ископаемые виды топлива останутся доминирующим источником энергии в ближайшем будущем, исследователи должны уделить особое внимание удалению и преобразованию CO2 в разные химические вещества. К сожалению, из-за стабильной линейной молекулярной структуры и двух эквивалентных связей C=O, газ достаточно сложно преобразовать.
С экономической точки зрения, следует перерабатывать CO2 в ценные продукты и искать более выполнимые условия реакции и эффективные катализаторы.
В последние десятилетия, в качестве устойчивых стратегий преобразования CO2, были предложены электрокаталитические методы с использованием возобновляемой энергии воды, ветра или солнечного света и фотокаталитические подходы с использованием солнечной энергии. Но, на данный момент, необходимы дальнейшие усилия для разработки эффективных катализаторов и понимания взаимосвязи структуры и эффективности электрокаталитического и фотокаталитического сокращения выбросов CO2.
Как правило, для электрохимической конверсии CO2 и исследования фотокаталитического восстановления CO2, использовались металлические катализаторы, катализаторы на основе оксидов металлов и углеродных материалов. В дополнение к традиционным катализаторам, широко изучались металлоорганические каркасы и производные на основе металлоорганических структур. Благодаря их изменяемым свойствам и перспективным каталитическим характеристикам, катализаторы преобразования CO2 показали себя как эффективные.
Металлоорганические структуры представляют собой своего рода кристаллические материалы, состоящие из ионов металлов или кластеров и органических прутьев с регулируемым распределением размеров пор и высокой удельной площадью поверхности. Они стали наиболее перспективными разработками в области газоразделения, улавливания газа и гетерогенного катализа.
Просто меняя металлические узлы и органические связующие звенья, можно легко настроить как физические, так и химические свойства катализаторов. Что касается структуры, такие катализаторы аналогичны металлическим комплексам. Кроме того, они представляют собой твердые пористые материалы, которые могут быть легко переработаны после реакций, особенно после гетерогенного катализа.
В таких катализаторах, окисляющие активные участки металлов, таких как Fe, Co, Ni, C, или Mn, являются активными участками, которые могут обеспечить каталитическую активность. Однако, внутренняя каталитическая эффективность может быть заторможена из-за их ограниченной проводимости и стабильности.
Соединения металлов и нанокомпозиты имеют явные преимущества для реакций фотокатализа и электрокатализа, таких как реакция кислородного восстановления, реакция азотного восстановления, реакция CO2 восстановления, реакция водородного развития, и реакция кислородного развития.
Что касается методов синтеза, наиболее часто используемыми является высокотемпературная обработка материалов. Некоторые исследователи такие катализаторы с другими полупроводниками и органическими компонентами для производства нанокомпозитов с целью более эффективного преобразования CO2 в химические вещества.
Электрокатализаторы для сокращения выбросов CO2
Электрохимическое сокращение выбросов CO2 с использованием возобновляемых источников энергии - один из наиболее перспективных подходов для преобразования CO2 в ценные продукты. Реакция обычно осуществляется в электрохимической ячейке с двумя отделениями, разделенной пленкой для предотвращения окисления продуктов. Как правило, вода в электролите выступает в качестве источника протонов, реакция восстановления протекает на катоде электрокаталитической системы, а реакция выделения кислорода происходит на стороне анода.
Благодаря перестраиваемым металлическим узлам и органическим лигандам металлоорганических структур, а также благодаря многим возможным методам подготовки материалов, электрокатализаторы и фотокатализаторы на основе металлоорганических структур продемонстрировали большие перспективы для повышения эффективности реакций сокращения выбросов CO2.
Несмотря на то, что некоторые из каталитических систем показали многообещающие результаты, остаются большие проблемы с полным использованием уникальных свойств металлоорганических структур при разработке высокоэффективных катализаторов для сокращения выбросов CO2.
Необходимо рациональное проектирование наноструктурированных катализаторов. Модификация материалов на основе металлоорганических структур может быть выполнена путем настройки металлических узлов и органических стоек, от которых зависят свойства готовых материалов.
Также, необходимо проделать большую работу по расширению масштабов реакционной системы и разработке процесса промышленного применения этой реакции. Это направление исследований только начинается, и мы надеемся увидеть более многообещающие результаты в ближайшие годы.