Химики из Национального университета Сингапура (NUS) разработали инновационные материалы, которые могут использовать как синглетное, так и триплетное возбуждённые состояния для эффективного фотокатализа без применения металлов.
Что такое фотокатализ?
Фотокатализ — это перспективная «зелёная» технология, которая использует солнечный свет для запуска химических реакций. Однако большинство существующих материалов используют только один тип световой энергии — либо синглетное, либо триплетное возбуждённое состояние. Это ограничивает их эффективность и диапазон применения, особенно под естественным солнечным светом, который содержит широкий спектр длин волн.
Новое слово в фотокатализе
Исследовательская группа под руководством профессора Донглина Цзяна из химического факультета NUS разработала новый класс ковалентных органических каркасов (COF), которые могут одновременно использовать оба типа возбуждённых состояний. Эти двухканальные COF созданы с донорами и акцепторами, расположенными в упорядоченных колонках, что усилено точной водородной связью для повышения стабильности и производительности под воздействием света.
Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Materials.
Этот прорыв позволяет проводить высокоэффективные фотокаталитические реакции, запускаемые красным и ближним инфракрасным светом, которые часто недоиспользуются существующими катализаторами. Отсутствие металлов в этих материалах делает их экологически чистыми и экономически эффективными, с потенциальным применением в производстве экологически чистого топлива, фармацевтике и «зелёных» промышленных процессах.
Особенности COF
COF, разработанные исследовательской группой, имеют чередующиеся молекулы донора и акцептора, которые расположены в хорошо выровненной столбчатой структуре. Такая уникальная конструкция обеспечивает быструю передачу энергии и позволяет активировать два различных типа возбуждённых состояний.
Материалы выполняют исключительно хорошо даже при воздействии красного света низкой энергии (620 нм), достигая некоторых из самых высоких частот оборота, зарегистрированных для систем без металлов. Они также не требуют добавления металлов или химических веществ для повышения своей производительности.
В одном из примеров материал H₂P-BT(OMe)₂-COF под воздействием красного света (620 нм) преобразовал 98% бензиламина в желаемый продукт за 10 минут. Он также продемонстрировал высокую эффективность с частотой оборота 1298 в час, что означает, что каждый активный центр в материале может проводить более тысячи реакций каждый час.
Перспективы применения
Эти каркасы также являются модульными и могут быть адаптированы для различных типов реакций путём простой замены доноров или акцепторов. Их пористая структура поддерживает эффективный транспорт реагентов, что делает их идеальными для промышленного применения, такого как непрерывные процессы.
Профессор Цзян сказал: «Эта работа открывает новый путь для устойчивого фотокатализа. Наши двухканальные COF демонстрируют, что можно более полно и эффективно использовать свет с помощью материалов без металлов. Мы рады изучить, как далеко мы можем зайти в применении этой технологии в реальных условиях».
Исследовательская группа планирует адаптировать эти COF для использования в крупномасштабных приложениях, таких как производство солнечного топлива и очистка окружающей среды. Настраивая их структуру, материалы могут быть адаптированы для использования в широком спектре светоуправляемых химических процессов.
Предоставлено Национальным университетом Сингапура.