Tandem katalytisk system omdanner effektivt kuldioxid til methanol

Omdannelse af kuldioxid til methanol, et potentielt vedvarende alternativt brændstof, giver mulighed for samtidig at danne et alternativt brændstof og skære ned på udledningen af ​​kuldioxid.

Inspireret af naturligt forekommende processer, et hold af Boston College kemikere brugte et multi-katalysator system til at omdanne kuldioxid til methanol ved de laveste temperaturer rapporteret med høj aktivitet og selektivitet, rapporterede forskerne i en nylig online-udgave af tidsskriftet Chem .

Holdets opdagelse blev gjort mulig ved at installere flere katalysatorer i et enkelt system konstrueret i et svampelignende porøst krystallinsk materiale kendt som en metal-organisk ramme, sagde Boston College Associate Professors of Kemi Jeffery Byers og Frank Tsung, hovedforfatterne af rapporten.

Holdt på plads af svampen, de separate katalysatorer arbejder i harmoni. Uden isolering af den katalytisk aktive art på denne måde, reaktionen fortsatte ikke, og der blev ikke opnået noget produkt, rapporterede de.

Holdet hentede sin inspiration fra det biologiske maskineri i celler, som bruger multikomponent kemiske reaktioner med stor effektivitet, sagde Tsung.

Holdet brugte katalysatorseparation gennem vært-gæstekemi - hvor et "gæste"-molekyle er indkapslet i et "værts"-materiale for at danne en ny kemisk forbindelse - for at omdanne kuldioxid til methanol. Tilgangen, inspireret af de multikomponent katalytiske transformationer i naturen, omdannet en drivhusgas til et vedvarende brændstof og samtidig undgå høj katalytisk efterspørgsel på en enkelt art.

"Vi opnåede dette ved at indkapsle en eller flere katalysatorer i metal-organiske rammer og anvende den resulterende vært-gæst-konstruktion i katalyse i tandem med et andet overgangsmetalkompleks, " sagde Tsung.

Holdet, som omfattede kandidatstuderende Thomas M. Rayder og bachelorstuderende Enric H. Adillon, for at afgøre, om de kunne udvikle en tilgang til at integrere uforenelige katalysatorer for at omdanne kuldioxid til methanol ved lav temperatur og med høj selektivitet sagde Byers.

Specifikt, de ønskede at finde ud af, om der er specifikke fordele ved denne tilgang sammenlignet med de nuværende avancerede systemer til overgangsmetalkompleks-baseret omdannelse af kuldioxid til methanol.

"Placering af flere overgangsmetalkompleks -katalysatorer på den rigtige position i et system er afgørende for, at reaktionen vender, " sagde Byers. "På samme tid, indkapsling af disse katalysatorer muliggjorde genanvendelighed i det multikomponente katalytiske system. "

Disse egenskaber gør multikomponent katalysatorkonstruktionen mere industrielt relevant, som kan bane vejen for en kulstofneutral brændstoføkonomi, sagde forskerne.

Ud over at opnå site isolation ved at indkapsle katalysatorerne, hvilket førte til katalysatoraktivitet og genanvendelighed, teamet opdagede et autokatalytisk træk ved katalysatoren, der gjorde det muligt at køre reaktionen uden behov for store mængder tilsætningsstoffer. De fleste tidligere rapporter om lignende reaktioner bruger store mængder tilsætningsstoffer, men holdets tilgang undgår denne nødvendighed, og det er det første, der bruger kuldioxid i en energirelateret reaktion, sagde Tsung.

Holdet planlægger at forske yderligere i modulariteten af ​​både indkapslingsmetoden og de metalorganiske rammer for at få en dybere forståelse af multikomponentsystemet og optimere det yderligere, samt adgang til nye, uudforsket reaktivitet gennem dannelsen af ​​nye vært-gæst-konstruktioner, sagde Tsung.