Generering af brint (H₂) har ved hjælp af fotokatalyse været i spidsen for forskning siden 1970’erne, fordi det potentielt kan imødekomme efterspørgslen efter dette grønne brændstof ved at anvende rigeligt sollys som den eneste energikilde. Det omfatter hovedsageligt to tilgange: samlet vandopdeling og selektiv dehydrogenering af organiske forbindelser.
Forskning i samlet vandopdeling fokuserer på design og fremstilling af mere effektive fotokatalysatorer, der er i stand til at anvende et bredere interval af det elektromagnetiske spektrum og operere ved lavere overpotentials til vandoxidation og protonreduktion halvreaktioner. I de senere år har feltet gjort betydelige fremskridt med at fremme eksperimenter ud over laboratoriefasen.
På den anden side er selektiv dehydrogenering af organiske forbindelser et mere komplekst og mangefacetteret forskningsområde. Der er næsten et uendeligt antal organiske forbindelser, der er i stand til at tjene som H₂ -kilder, mens produkterne fra deres dehydrogenering er værdifulde kemikalier.
Imidlertid kunne dehydrogenering af de fleste organiske molekyler fortsætte til forskellige omfang og give en række produkter. Derfor er selektivitet over for et specifikt produkt en central parameter inden for dette forskningsområde, der kan moduleres ved at vælge de rigtige fotokatalysatorer og justere procesparametre.
På trods af sin betydning for grundlæggende og anvendt forskning manglede en overordnet oversigt over de fremskridt, der er opnået af samfundet i selektiv dehydrogenering af organiske forbindelser i de sidste 40 år. For at udfylde dette hul, for nylig, skabte professor Oleksandr Savateev (det kinesiske universitet i Hong Kong) en “database med fotokatalytiske dehydrogenationsreaktioner.”
Databasen indeholder 236 poster, som blev uddraget fra 216 artikler, der blev offentliggjort mellem 1982–2023 og mere end 100 deskriptorer, der er forbundet med hver post. For eksempel er disse deskriptorer:
- Reaktionsklassificering i henhold til typen af dannet binding, såsom C – B, C – C, C – H, C – N, C – O, C – P, C – S, C – SI, S – S, Si – O, N – N.
- Type af fotokatalysatoren (homogen, heterogen), dens kemiske struktur og ydeevne, såsom udbyttehastighed på H2 og det organiske produkt.
- Kvanteudbytte af reaktionen og andre.
Disse data blev analyseret af teamet ledet af professor Oleksandr Savateev (det kinesiske universitet i Hong Kong), i samarbejde med prof. Junwang Tang (Tsinghua University) og prof. Shaowen Cao (Wuhan University of Technology), og resultaterne af analysen er offentliggjort i gennemgangsartiklen i den gennemgang i den gennemgang i Kinesisk tidsskrift for katalyse.
Blandt de fund, der skitserer fremtidige retninger for feltudviklingen, er:
- Mere effektiv udnyttelse af solspektret. Dehydrogenering af organiske forbindelser er termodynamisk mindre udfordrende – Gibbs frie energiændring er mindre positiv end vandopdelingen. Derfor er fotokatalysatorer i princippet med en energifelg, der er smallere end 1 eV, og fotoner i den nærmeste IR -region af det elektromagnetiske spektrum tilstrækkelige til at drive disse reaktioner. Der er dog kun få eksempler på fotokatalysatorer og reaktioner udført ved længere bølgelængder, ca. 500 nm. Langt de fleste reaktioner er aktiveret af fotokatalysatorer, der har båndgabet i området 2,8–3,5 eV, hvilket kræver fotoner ved kanten af det synlige spektrum og nær UV.
- Udvikling af nye organiske reaktioner. Der er mange eksempler på fotokatalytisk dehydrogenering af organiske forbindelser, der fortsætter sammen med dannelsen af C – C, C – O og C – N -bindinger. Der er dog kun få eksempler på konstruktion af mere komplekse organiske molekyler via C – S, C – SI og N – N -kobling af molekylære fragmenter ledsaget af H₂ -evolution. Dette skitserer mulighederne for at gøre organisk syntese mere atomeffektiv-H₂ er et let molekyle og det eneste biprodukt i acceptorfri dehydrogenativ tværgående kobling.
Der er adskillige områder, hvor databasen og resultaterne af dens analyse kan anvendes øjeblikkeligt. De giver forskere mulighed for nøjagtigt at rangere ydeevnen for deres nyudviklede fotokatalytiske systemer i en udvalgt dehydrogeneringsreaktion under givne betingelser med hensyn til andre rapporterede fotokatalysatorer.
På den anden side tillader de identifikation af de mest lovende fotokatalysatorer og fotokatalytiske dehydrogeneringsreaktioner, dem med højere kvanteudbytte og udbyttehastigheder for H₂ og organiske produkter, at udvikle sig på et højere teknologibaseret niveau.