Investigation of phthalocyanine based 2D covalent microporous polymer (CMP) and 2D layered perovskite hybrid structure for photocatalytic water splitting reaction

Abstract

Today, global warming, caused by the rise in greenhouse gases due to industrialization and population growth, is leading to a severe increase in average temperatures on Earth's surface. These greenhouse gases include carbon dioxide (CO2), methane (CH4), nitrogen oxides (NOx) and chlorofluorocarbons (CFCs). These gases, which accumulate in the atmosphere and cause the sun's rays to remain on the surface longer, contribute to the increase in temperatures. Industrial activities and increasing energy needs have increased the use of fossil fuels, seriously increasing air pollution problems and global warming. This situation disrupts the environmental balance, causing several adverse effects, such as climate change and extreme weather events. Therefore, controlling greenhouse gas emissions and shifting towards sustainable energy sources is critical in solving these global problems. Hydrogen energy stands out as an essential approach to clean energy production. However, despite research in this field, this problem still needs to be solved effectively enough. Covalent microporous polymers (CMP) appear in different designs in the literature, are microscopically porous, and consist of building blocks connected by covalent bonds. Large surface areas and a structure with high p-conjugation are essential features of these polymers. With their wide range of building blocks and different synthesis techniques, they can be customized in many different areas of the industry, such as gas storage and adsorption, sensor technology, biological applications, heterogeneous catalysts, and photocatalytic water splitting. This research addresses the search for a solution to an efficient photocatalytic water splitting reaction to contribute to the hydrogen economy with green hydrogen production. CMPs are used to solve the problem. CMPs in this study are composed of Phthalocyanine and [2,2'-bipyridine]-5,5'-dicarbaldehyde building blocks, which increases the π vconjugation of the polymer. This covalent microporous structure containing imine bonds has been described for the first time in the literature. In this study, the effect of metal on photocatalytic water splitting studies was examined within the scope of zinc and nickel metals bonded on phthalocyanines. This study introduced a covalent micropore polymer photocatalyst with a stable structure to the literature. We have presented a CMP structure with different metal centers as a photocatalyst capable of producing hydrogen gas from water under illumination.

Günümüzde, endüstrileşme ve nüfus artışı ile birlikte dünya yüzeyindeki ortalama sıcaklıkların ciddi bir şekilde artmasına neden olan küresel ısınma, artan sera gazlarına bağlı olarak ortaya çıkmaktadır. Bu sera gazları arasında karbon dioksit (CO2), metan (CH4), azot oksitler (NOx) ve kloroflorokarbonlar (CFC'ler) yer almaktadır. Atmosferde birikerek güneş ışınlarının yüzeyde daha fazla kalmasına neden olan bu gazlar, sıcaklıkların yükselmesine katkı sağlar. Endüstriyel faaliyetler ve artan enerji ihtiyacı, fosil yakıtların kullanımını artırmış ve bu da küresel ısınma ile birlikte hava kirliliği problemlerini ciddi şekilde artırmıştır. Bu durum, çevresel dengeyi bozarak iklim değişikliği ve aşırı hava olayları gibi bir dizi olumsuz etkiye neden olmaktadır. Bu nedenle, sera gazı emisyonlarının kontrol edilmesi ve sürdürülebilir enerji kaynaklarına yönelme, bu önemli küresel sorunlara çözüm bulmada kritik bir rol oynamaktadır. Hidrojen enerjisi, temiz enerji üretimi konusunda önemli bir yaklaşım olarak öne çıkmaktadır. Ancak, bu alandaki araştırmalara rağmen, bu sorun henüz yeterince etkili bir şekilde çözülebilmiş değildir. Kovalent mikropor polimerler literatürde farklı tasarımlarda yer alan, mikroskobik düzeyde gözenekli ve kovalent bağlara birbirlerine bağlanmış yapı taşlarından oluşan polimerlerdir.Geniş yüzey alanları ve yüksek p-konjugasyonuna sahip bir yapı olması, bu polimerlerin önemli özelliklerindendir. Geniş yapı taşı seçenekleri ve farklı sentez teknikleriyle endüstride çok farklı alanda özelleştirilebilirler. Gaz depolama ve adsorpsiyon, sensör teknolojisi, biyolojik uygulamalar heretojen katalizörler ve fotokatalitik su ayrıştırılması gibi endüstride pek çok alanda yer alırlar. Bu araştırma, günümüzün önemli sorunlarından biri olan fosil yakıtların neden olduğu hava kirliliği sorununa yönelik bir çözüm arayışını ele almaktadır. Kovalent mikropor polimerler bu problemin çözümü için kullanılmıştır. Yapı taşlarının Fitalosiyanin ve [2,2'-bipiridin]-5,5'-dikarbaldehit olması, polimerin π konjugasyonunu arttırmaktadır. Imin bağ içeren bu kovalent mikropor yapısı literatürde bir ilk olarak tanımlanmıştır bu çalışmada, fitalosiyaninler üzerine bağlanmış olan çinko ve nikel metalleri kapsamında, fotokatalitik su ayrıştırma çalışmalarına metalin etkisi incelenmiştir. Bu çalışma ile, kararlı bir yapıya sahip olan kovalent mikropor polimer bir fotokatalizörü literatüre kazandırdık. Farklı metal merkezlerine sahip bir CMP yapısını, suyu aydınlatma altında hidrojen gazına dönüştürebilen bir fotokatalizör olarak sunuyoruz. Amacımız, daha sürdürülebilir bir dünya için katkıda bulunmak ve bu alandaki çabaları arttırmaktır.