En metalfri organisk ramme til elektrokatalytisk produktion af ethylen fra kuldioxid

Anvendelse af drivhusgassen CO₂ som et kemisk råmateriale ville ikke kun reducere emissioner, men også forbruget af fossile råvarer. En ny metalfri organisk ramme kunne gøre det muligt elektrokatalytisk at fremstille ethylen, et primært kemisk råmateriale, ud fra CO₂ .

Som et hold har rapporteret i tidsskriftet Angewandte Chemie International Edition , spiller nitrogenatomer med en bestemt elektronkonfiguration en kritisk rolle for katalysatoren.

Ethylen (ethen, C₂ H₄ ) er et essentielt udgangsmateriale for mange produkter, herunder polyethylen og anden plast. Ethylen fremstilles industrielt ved højenergikrakning og rektificering af fossile råvarer.

Den elektrokemiske omdannelse af CO₂ til ethylen ville være en lovende vej til at reducere CO₂ emissioner og samtidig spare energi og fossile ressourcer.

CO₂ er meget stabil, hvilket gør det vanskeligt at fremkalde reaktion. Med brug af elektricitet og katalysatorer er det i øjeblikket muligt at omdanne det til C₁ kemikalier som methanol og metan.

Den yderligere udfordring ved at producere ethylen er, at der skal dannes en binding mellem to carbonatomer. Dette er tidligere kun opnået med kobberkatalysatorer. Metalfri elektrokatalyse ville være fordelagtig, fordi metaller er en omkostningsfaktor og kan forårsage miljøproblemer.

Et team ledet af Chengtao Gong og Fu-Sheng Ke ved Wuhan University, Kina, har nu udviklet en metalfri elektrokatalysator til omdannelse af CO₂ til ethylen. Katalysatoren er baseret på en nitrogenholdig kovalent organisk struktur (COF).

COF'er er en ny klasse af porøse, krystallinske, rent organiske materialer med defineret topologi. I modsætning til metal-organiske rammer (MOF'er) kræver de ingen metalioner for at holde dem sammen. Deres porestørrelser og kemiske egenskaber kan tunes over en bred vifte gennem udvælgelse af byggestenene.

Den nye COF indeholder nitrogenatomer med en speciel elektronkonfiguration (sp ³ hybridisering) som katalytisk aktive centre. Disse sp ³ nitrogencentre binder de individuelle byggesten til en ramme gennem en aminal forbindelse (to aminogrupper bundet til et kulstofatom).

I modsætning til COF'er med en klassisk imin-binding (–C=N–), har aminal COF'er strenge krav til længder og vinkler af bindingerne mellem byggesten, hvilket bevirker, at rammerne dannes gennem ringlukninger.

Forskerne fandt en passende kombination ved at bruge piperazin (en seksleddet ring lavet af fire kulstof- og to nitrogenatomer) og en byggesten lavet af tre aromatiske seksleddede kulstofringe. Når de blev brugt som elektroder, viste deres nye COF'er høj selektivitet og ydeevne (Faraday effektivitet op til 19,1%) til produktion af ethylen.

Succesen med de aminale COF'er skyldes den høje tæthed af aktive sp ³ -nitrogencentre, som begge meget effektivt opfanger CO₂ og overføre elektroner. Dette resulterer i en høj koncentration af exciterede mellemprodukter, der kan gennemgå C-C-kobling.

I modsætning hertil en række imin-forbundne COF'er, som indeholder sp ² nitrogen i stedet for sp ³ , blev på lignende måde testet og producerede intet ethylen. Dette beviser vigtigheden af ​​korrekt elektronkonfiguration for den elektrokemiske reduktion af CO₂ til ethylen.

Flere oplysninger: Yang Xiao et al., Linkage Engineering in Covalent Organic Frameworks for Metal-Free Electrocatalytic C2H4 Production from CO2, Angewandte Chemie International Edition (2024). DOI:10.1002/anie.202404738

Journaloplysninger: Angewandte Chemie International Edition

Leveret af Wiley