Hvordan biologiens hårdest arbejdende pigmenter og MOF'er måske bare redder klimaet

Nogle af de økonomiske sektorer, der er sværest at dekarbonisere, ville drage fordel af fremkomsten af ​​væsentligt mere effektive katalysatorer involveret i energiomdannelseskemiske reaktioner. Et gennembrud her kan afhænge af brugen af ​​pigmenter, der er udbredt i biologiske processer, integreret som en katalysator i nye og meget porøse molekylære strukturer, der virker ligesom svampe.

Et papir, der beskriver situationen på dette felt og de udfordringer, det står over for, blev offentliggjort i tidsskriftet Nano Research Energy den 29. maj.

I de senere år har porphyriner og metalloporphyriner spillet en stadig vigtigere rolle i biomimetisk kemi, solenergiudnyttelse, medicin og en lang række andre anvendelser. Men brugen af ​​porphyriner i elektrokatalyse og fotokatalysereaktioner, der er centrale for mange energiomdannelsesprocesser, der er nyttige til den rene overgang, viste sig at være ustabil, deaktiveret og vanskelig at genbruge, hvilket har begrænset den videre udvikling af disse energikonverteringsteknologier.

Så forskere er begyndt at overveje integrationen af ​​porphyriner som de organiske ligander (den ion, der binder til et centralt metalatom i et komplekst molekyle) i syntetiske molekylære strukturer kendt som metal-organiske rammer (MOF'er) og deres tvillinge, kovalent-organiske rammer. (COF'er) - kendt som porphyrin-baserede rammematerialer.

"Dette burde i princippet levere fremragende elektrokatalyse- og fotokatalyse-ydeevne, da MOF- og COF-strukturerne er enkle at syntetisere og højdesignede, og dermed meget mere kontrollerbare og strukturelt stabile," sagde Yusuke Yamauchi, en medforfatter af papiret og forsker med Australian. Institute for Bioengineering and Nanotechnology ved University of Queensland.

"Forskerne, som selv er involveret i udvikling af porphyrin-baseret rammematerialer, har sammensat en oversigtsartikel, der beskriver situationen på deres felt. Sådanne oversigtspapirer er nødvendige for, at unge felter kan komme videre, da de afklarer den nuværende forståelse, diskuterer fremskridt og udfordringer. , identificere forskningshuller og kan endda tilbyde retningslinjer for politik og tips om bedste praksis," Huan Pang, en medforfatter af papiret og forskeren ved School of Chemistry and Chemical Engineering ved Yangzhou University, Kina

Artiklen udforsker alle de nuværende og potentielle anvendelser af porphyrin-baserede rammematerialekatalysatorer og finder, at der fortsat er et stort potentiale, men feltet står over for adskillige udfordringer.

I en økonomi med netto-nul udledning af drivhusgasser kan ikke alt elektrificeres - især langdistancetransport - og derfor vil en form for rene brændstoffer, såsom kulstofneutrale syntetiske kulbrinter, ammoniak eller brint være nødvendig. Alle disse brændstoffer involverer omdannelse af ren energi - hvad enten det er fra solen, vinden, vand eller uran - til transportabel og stabil kemisk energi. En del af denne proces kræver produktion af rent brint gennem brug af elektricitet, lys eller varme til at spalte vand i dets bestanddele, brint og oxygen.

Kulbrinter er sammensat af forskellige forhold mellem kulstof og brint, deraf navnet. Således vil de rene, syntetiske versioner, der erstatter deres beskidte fossile fætre, kræve at trække kuldioxid ned fra atmosfæren og omdanne det til forskellige anvendelige former for kulstof som input for at blive gift med det rene brint. At trække atmosfærisk kulstof ned og gøre brug af det er også kendt som kulstoffangst og -udnyttelse (CCU).

Alle disse processer og mange andre involveret i den rene overgang (overgangen fra fossile brændstoffer til rene teknologier), såsom brugen af ​​brændselsceller og lysindsamling, er i realiteten kemiske reaktioner, der omdanner energi fra en form til en anden, mere anvendelig form . Disse kemiske reaktioner kræver tilsætning af stoffer kendt som katalysatorer, der fremskynder reaktionen. Nogle af disse katalysatorer er ekstremt dyre, såsom platin, eller er ikke effektive nok til, at slutproduktet kan konkurrere med fossile brændstoffer eller producere deres egne miljømæssige udfordringer.

Derfor er jagten i gang efter mere effektive, billigere og renere katalysatorer såsom porphyrin.

Udviklingen af ​​effektive ikke-ædle porphyrin-baserede rammematerialekatalysatorer til at erstatte ædelmetalkatalysatorer er fortsat en betydelig hindring. Designet og konstruktionen af ​​porphyrinblokke er i øjeblikket hovedsageligt afhængig af et meget symmetrisk design, som begrænser mangfoldigheden af ​​porphyrinrammefamilier og påvirker deres potentielle katalytiske anvendelser. Nye strukturer, der anvender porphyrinenheder med asymmetrisk design, bør overvejes for at udvide stoffets anvendelighed.

Omkostningerne ved fremstilling af porphyrin-rammematerialer er fortsat høje, og det er derfor påtrængende, at ingeniører udvikler nye syntesemetoder, hvis disse katalysatorer skal tages op i store industrielle applikationer. At reducere antallet af nødvendige trin i syntese er en vigtig forskning, men det er også ekstremt vanskeligt at gøre dette.

De konkluderer dog, at hvis sådanne udfordringer skulle overvindes, kan porphyrinbaserede rammematerialer være en game-changer i kommercialiseringen af ​​energiomdannelsesprocesser, der er afgørende for nogle af de sektorer, der er de allersværeste at dekarbonisere.

Porphyriner er nogle af biologiens hårdest arbejdende stoffer. Denne klasse af pigmenter anvendes i en bred vifte af vitale processer, fra fotosyntese til vejrtrækning. Derivater af disse vandopløselige, ringformede molekyler, der binder metalioner, omfatter klorofyler i planter og hæmoglobiner, der transporterer ilt i dyrenes blod. De forstærker også enzymernes katalytiske aktiviteter i en række andre livgivende kemiske reaktioner. Metalloporphyriner er af særlig interesse med hensyn til den rene overgang på grund af deres rolle som katalysatorer i vandspaltning til fremstilling af hydrogen og oxygen. + Udforsk yderligere

Ny katalysator øger radikalt omdannelseshastigheden af ​​kuldioxid til solbrændstoffer