Rekruttering af mangan til at opgradere kuldioxid

OIST-forskere udviklede simple katalysatorer baseret på jordrige mangan til at bruge kuldioxid til energilagring eller omdanne det til nyttige kemikalier til industrien.

Kuldioxid (CO2) er kendt som en drivhusgas og spiller en væsentlig rolle i klimaforandringerne; det er ikke underligt, at forskere har ledt efter løsninger til at forhindre udslip i miljøet. Imidlertid, som en billig, let tilgængelig og ugiftig kulstofkilde, i de sidste par år har der været bestræbelser på at omdanne kuldioxid til værdifulde varer, eller 'værditilvækst' produkter.

For eksempel, kuldioxid muliggør energilagring ved at reagere med brintgas - kaldet hydrogeneringsprocessen - omdanner blandingen til flydende forbindelser med højere energi såsom methanol, der let kan transporteres og bruges som brændstof til biler. Tilsvarende kuldioxidhydrogenering i nærværelse af andre kemikalier kan føre til dannelsen af ​​forskellige værditilvækstprodukter, der er meget udbredt i industrien, såsom myresyre, formamider, eller formaldehyd. Disse kemikalier kan også potentielt bruges til energilagring som, for eksempel, opvarmning af myresyre under visse betingelser giver mulighed for frigivelse af brintgas på en kontrolleret og reversibel måde.

Omdannelse af kuldioxid til nyttige produkter kompliceres af, at CO2 er den mest oxiderede form for kulstof og som sådan et meget stabilt og ureaktivt molekyle. Derfor, den direkte reaktion af CO2 med brint kræver høj energi, gør processen økonomisk ugunstig. Dette problem kan løses ved hjælp af katalysatorer, som er forbindelser, der bruges i små mængder til at fremskynde kemiske reaktioner. Til CO2-hydrogeneringsformål, de fleste kendte katalysatorer er baseret på ædelmetaller såsom iridium, rhodium eller ruthenium. Mens fremragende katalysatorer, knapheden på disse ædle metaller gør det vanskeligt at bruge dem i industriel skala. De er også svære at genbruge og potentielt giftige for miljøet. Andre katalysatorer bruger billigere metaller såsom jern eller kobolt, men kræver et fosforbaseret molekyle - kaldet phosphin - der omgiver metallet. Fosfiner er ikke altid stabile omkring ilt og brænder nogle gange voldsomt i en luftatmosfære, hvilket giver et andet problem for de praktiske anvendelser.

For at overvinde disse problemer, OIST Coordination Chemistry and Catalyse Unit ledet af prof. Julia Khusnutdinova rapporterede i ACS katalyse nye og effektive katalysatorer baseret på et billigt og rigeligt metal:mangan. Mangan er det tredje mest udbredte metal i jordskorpen efter titanium og jern, og udviser meget lavere toksicitet sammenlignet med mange andre metaller, der anvendes til CO2-hydrogenering.

Forskerne søgte oprindeligt efter inspiration i den naturlige verden:hydrogenering er en reaktion, der forekommer i mange organismer, som ikke ville have adgang til ædelmetaller eller fosfiner. De observerede strukturen af ​​specifikke enzymer - hydrogenaser - for at forstå, hvordan de kunne opnå hydrogenering ved hjælp af simple, Jordrige materialer. For at lette hydrogeneringen, enzymer anvender et 'smart' arrangement, hvor det omgivende organiske skelet samarbejder med et metalatom – som jern – og effektivt kickstarter reaktionen.

"Efter at have set på hydrogenaser, vi ville undersøge, om vi kunne lave kunstige molekyler, der efterligner disse enzymer, ved at bruge den samme type almindelige materialer, som jern og mangan, " forklarede Dr. Abhishek Dubey, den første forfatter til denne undersøgelse.

Hovedudfordringen ved denne undersøgelse var at bygge en passende ramme - kaldet en ligand - omkring manganet til at inducere hydrogeneringen. Forskerne fandt frem til en overraskende simpel ligandstruktur, der ligner naturlige hydrogenaseenzymer med et twist fra typiske phosphinkatalysatorer.

"I de fleste tilfælde, ligander understøtter metallet uden direkte at deltage i en kemisk bindingsaktivering. I vores tilfælde, vi tror, ​​at liganden deltager direkte i reaktionen, " sagde Dr. Dubey.

I liganddesign, strukturen af ​​en ligand er tæt forbundet med dens effektivitet. Den nye katalysator – liganden og manganet tilsammen – kan yde mere end 6, 000 omsætninger i en hydrogeneringsreaktion, konvertering af mere end 6, 000 gange CO2-molekyler før henfald. Og denne nye ligand, resultatet af et samarbejde med et internationalt team, herunder prof. Carlo Nervi og hr. Luca Nencini fra Universitetet i Torino i Italien og dr. Robert Fayzullin fra Rusland, er enkel at fremstille og stabil i luften.

For nu, katalysatoren er i stand til at omdanne kuldioxid til myresyre, et meget anvendt fødevarekonserverings- og garvningsmiddel, og formamid, som har industrielle anvendelser. Men denne katalysators alsidighed åbner mange andre muligheder.

"Vores næste mål er at bruge sådanne strukturelt enkle, billige mangankatalysatorer til at målrette andre typer reaktioner, hvor CO2 og brint kan omdannes til nyttige organiske kemikalier", sluttede prof. Khusnutdinova.