Un grupo de investigación liderado por el Prof. Wan Yinhua del Instituto de Ingeniería de Procesos de la Academia de Ciencias de China ha desarrollado un catalizador con doble actividad catalítica fotocatalítica y biomimética para la producción de peróxido de hidrógeno (H2 O2 ).
La estrategia consiste en cargar nanopartículas de oro (AuNP) en nanoláminas de nitruro de carbono y grafito (GCN) utilizando polietilenimina (PEI) como "puente". El estudio fue publicado en el Chemical Engineering Journal .
H2 O2 , reconocido como un oxidante respetuoso con el medio ambiente, se utiliza ampliamente en diversos campos, como el tratamiento médico, la restauración ambiental, la química fina y la industria electrónica. Sin embargo, el método convencional de H2 O2 La producción se basa en el proceso de antraquinona, que tiene varios inconvenientes, incluido el alto consumo de energía, el uso de disolventes orgánicos y riesgos de seguridad. Por lo tanto, existe una necesidad apremiante de desarrollar un proceso de fabricación sostenible y ecológico para el H2. O2 .
La fotocatálisis impulsada por energía solar es una estrategia alternativa prometedora para el H2 O2 producción, y GCN es una opción popular en el campo de la fotocatálisis debido a su síntesis sencilla, rentabilidad, propiedades físicas y químicas estables y amplio espectro de absorción de luz. Sin embargo, las nanohojas de GCN por sí solas tienen un rendimiento limitado en H2 fotocatalítico. O2 producción en agua pura debido a la alta barrera energética de la disociación del agua y la baja eficiencia de separación de los portadores de carga.
Los agentes de sacrificio de huecos (que actúan como donadores de electrones), como el etanol, el isopropanol y el alcohol bencílico, se utilizan comúnmente para mejorar la selectividad de la reducción de oxígeno. Sin embargo, la adición de agentes orgánicos tiene impactos ambientales adversos, lo que no favorece la sostenibilidad del H2 O2 producción. Por lo tanto, es crucial diseñar un material GCN con una eficiencia mejorada de separación de pares de electrones y huecos para facilitar la oxidación del agua y la reducción del oxígeno.
"Inspirándonos en el sistema catalítico acoplado a fotoenzimas en los cloroplastos, desarrollamos un catalizador compuesto cargando AuNP (imitadores de enzimas) en nanoláminas de GCN (fotocatalizador) utilizando PEI como 'puente' (PEI-GCN/Au)", Prof. Wan dijo.
La introducción de PEI y AuNP ayuda a ajustar la estructura electrónica de GCN, facilitando la rápida separación de portadores fotogenerados. La resonancia de plasmón superficial de las AuNP, cuando se excitan con la luz incidente, promueve la activación de las moléculas de glucosa, elevando su reactividad con el O2 y mejorar la producción catalítica de H2 que imita la glucosa oxidasa O2 . El injerto de PEI y la adición de glucosa mejoran el O2 adsorción en la superficie del catalizador.
El compuesto PEI-GCN/Au demuestra H2 excepcional O2 eficiencia de producción (270 μmol g -1 h -1 ) bajo irradiación con luz visible, utilizando únicamente glucosa, H2 O y O2 como reactivos. Como resultado, tanto la reducción catalítica biomimética como la fotocatalítica de O2 a H2 O2 se potencian, consiguiendo un importante efecto de mejora sinérgica del 175%.
"Este trabajo establece un paradigma de acoplamiento de catálisis biomimética y fotocatálisis para la coproducción de productos químicos. No solo proporciona información sobre el desarrollo de materiales para la producción eficiente de H2 O2 producción, sino que también introduce un concepto innovador para integrar la biocatálisis y la fotocatálisis", afirmó el profesor Luo Jianquan, autor correspondiente de este estudio.
Más información: Huiru Zhang et al, Catálisis biomimética fotoacoplada para aumentar la producción de H2O2, Chemical Engineering Journal (2024). DOI:10.1016/j.cej.2024.149183
Proporcionado por la Academia China de Ciencias
