Fotokatalitska redukcija CO2 z vidno svetlobo v C1-C2 produkte
Photocatalytic reduction of CO2: ambitions beyond C1 chemistry
1. VSEBINSKI OPIS PROJEKTA:
Projekt predstavlja multidisciplinarni pristop k uporabi in razumevanju fotokatalitskih materialov na osnovi plazmonskih in ne-plazmonskih kovin na polprevodnikih in kovinskih organskih ogrodjih (MOF) za intenziviranje kemijskih reakcij. Z uporabo svetlobe za poganjanje katalitskih reakcij bomo zaobšli termodinamske in kinetične omejitve, ki so značilne za termično gnane katalitske reakcije.
Zaradi ne-termičnega vnosa energije v obliki fotonov, se lahko fotokatalitske reakcije izvajajo pri nižjih reakcijskih temperaturah in nižjih tlakih. Posledično bi se lahko strukturno definirani materiali in MOFi, ki imajo precej omejeno uporabo zaradi svoje omejene toplotne stabilnosti, širše uporabljali za katalitske transformacije.
Reakcije pretvorbe CO2 v metanol ter nižje alkane in alkene (etan in eten) predstavljajo trajnostno proizvodnjo kemikalij, monomerov in sintetičnih goriv, ter tako podpirajo naraščajoče družbene potrebe. Pretvorba in selektivnost v teh reakcijah sta omejeni z reakcijsko kinetiko (počasnimi hitrostmi) pri nizkih temperaturah in/ali termodinamskim ravnotežjem pri visokih temperaturah. Intenzivno se raziskujejo novi materiali in procesi, ki bi lahko premagali kinetične in selektivnostne ovire, zato da lahko te reakcije izvajamo pri blagih pogojih ter z visoko atomsko in energijsko učinkovitostjo.
V tej raziskavi se bomo ukvarjali s sintezo kompozitnih fotokatalizatorjev tipa kovina@polprevodnik in kovina@MOF, skupaj s strukturno, kemijsko in elektronsko karakterizacijo ter fotokatalitskim eksperimentiranjem. Za analizo odvisnosti reakcijskih mehanizmov od obsevanosti in valovne dolžine ter kinetične analize v termično in svetlobno gnanih katalitskih poskusih nameravamo ločiti reakcijske poti ki vodijo k nastanku CO in metana od poti ki vodi do metanola. Poleg tega bomo realizirali fotokatalitsko reakcijo nastajanja C-C vezi.
Inženiring prepovedanega pasu, spreminjanje oksidacijskega stanja kovinskih delcev, destabilizacija reakcijskih intermediatov, prostorska segregacija vzbujenih nosilcev naboja in usmerjanje njihovega toka z ustreznim kontaktom polprevodnikov, MOF in aktivnih (plazmonskih) kovin bodo omogočili realizacijo selektivnih fotokatalitskih reakcij. V fotoreaktorju bomo izvedli integrirane spektroskopske in fotokatalitske kinetične analize.
Reakcije nameravamo voditi z vidno svetlobo, ki predstavlja približno 40 % sončnega obsevanja, s čimer bomo pospešili prehod na "sončne kemikalije". Za uspešno implementacijo je potreben precejšen napredek, zlasti na področju inženiringa novih materialov in temeljnega razumevanja izvora aktivnosti in selektivnosti.
a. Osnovni podatki glede financiranja
Projekt financira ARIS v okviru cenovne kategorije B za obdobje 3 let v obsegu 1333 letnih ur. Obdobje financiranja: 1.7.2022-30.6.2025.
b. Sestava projektne skupine s povezavami na SICRIS
dr. Petar Djinović 28557, Kemijski inštitut vodja projekta
dr. Matjaž Mazaj 25023, Kemijski inštitut raziskovalec
Suzana Mal 52220, Kemijski inštitut tehnična sodelavka
2. FAZE PROJEKTA IN NJIHOVA REALIZACIJA
1. Izvedba mikroreaktorja za fotokatalitske poskuse (1.-12. mes)
2. Sinteza katalitskih in fotokatalitskih materialov (1.-30. mes)
3. Katalitsko eksperimentiranje (6.-30. mes)
4. Karakterizacija katalitskih materialov (6.-34. mes)
5. Teoretična analiza optičnih in elektromagnetnih lastnosti (12.-36. mes)
3. BIBLIOGRAFSKE REFERENCE, KI IZHAJAJO NEPOSREDNO IZ IZVAJANJA PROJEKTA
Photo-thermal catalysis as a tool to investigate the reverse water gas shift reaction over Cu/Al2O3 [COBISS.SI-ID 166486019]
Photo-thermal methane dry reforming reaction catalyzed by Ni/CeO2−x nanorods [COBISS.SI-ID 166482435]
Engineering high performing catalysts for photo-thermal CO2 reduction to CO, CH4 or methanol [COBISS.SI-ID 160127235]
Thermal and photo-thermal methanol synthesis with modified Cu/ZnO catalysts [COBISS.SI-ID 168308483]
Traditional catalysts for light-assisted CO2 conversion: Win or fail? [COBISS.SI-ID 167870467]
Catalyst and process for conversion of CO2 and hydrogen into ethane and ethylene: LU505337, 2023. [COBISS.SI-ID 182820099]
4. LOGOTIP ARIS IN DRUGIH SOFINANCERJEV
