I ricercatori dell’Università Nazionale di Singapore (NUS) hanno sviluppato una struttura organica covalente microporosa con densi reticoli donatore-accettore e collegamenti ingegnerizzati per la produzione efficiente e pulita di perossido di idrogeno (H2O2) attraverso il processo di fotosintesi con acqua e aria.
La produzione industriale tradizionale di H2O2 attraverso il processo antrachinonico che utilizza idrogeno e ossigeno, è ad alta intensità energetica. Questo approccio impiega solventi tossici e costosi catalizzatori di metalli nobili e genera notevoli rifiuti dalle reazioni collaterali. Al contrario, la produzione fotocatalitica di H2O2 da ossigeno e acqua offre un percorso efficiente dal punto di vista energetico, delicato e pulito. Ancora più importante, affronta gli inconvenienti comuni dei sistemi fotocatalitici esistenti, come la bassa attività, l’uso massiccio di donatori sacrificali aggiuntivi di alcol e la necessità di immettere ossigeno gassoso puro.
Un gruppo di ricerca guidato dal professor JIANG Donglin del Dipartimento di Chimica del NUS ha sviluppato un nuovo tipo di fotocatalizzatore per l’efficiente fotosintesi artificiale di H2O2 dall’acqua e dall’aria. I ricercatori hanno costruito strutture organiche covalenti esavalenti (COF) in cui lo scheletro è progettato per essere colonne π donatore-accettore per la generazione di carica fotoindotta ad alta velocità e siti attivi catalitici. Parallelamente, il poro è progettato con canali microporosi trigonali idraulicamente sensibili per il rilascio immediato di acqua e ossigeno dei reagenti. Di conseguenza, questi COF esavalenti producono H2O2 spontaneamente ed efficientemente dall’acqua e dall’aria atmosferica quando esposti alla luce visibile sia nei reattori batch che a flusso. In condizioni di laboratorio, i COF dimostrano un’efficienza quantica del 17,5% sotto luce visibile a 420 nm in reattori batch. Questo sistema può essere sviluppato per realizzare superfici autopulenti e per trattamenti di disinfezione.
I risultati della ricerca sono stati pubblicati sulla rivista Catalisi della natura il 13 febbraio 2024.
Il professor Jiang ha affermato: “In questo lavoro, abbiamo affrontato con successo un problema chiave e comune nei fotocatalizzatori, negli elettrocatalizzatori e nei catalizzatori eterogenei, ovvero l’efficiente fornitura di cariche e massa ai siti catalitici. La nostra attenzione è posta su una progettazione strutturale precisa a livello atomico per esplorare sia gli scheletri che i pori dei COF hanno portato alla creazione di un sistema di fotosintesi artificiale per H2O2 produzione, ottenendo un’efficienza fotocatalitica senza precedenti.”
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