Lagring af elektroner fra brint til rene kemiske reaktioner

Forskere fra Kyushu University har udviklet en brintenergibærer til at løse nogle af de største forhindringer på vejen mod en bæredygtig brintøkonomi. Som forklaret i et papir offentliggjort i JACS Au , kan denne nye forbindelse effektivt "lagre elektroner" fra brint i en fast tilstand til senere brug i kemiske reaktioner.

Brint er en lovende kilde til ren energi med mange uudnyttede potentielle anvendelser i industrien og hverdagen. I modsætning til konventionelle brændstoffer kan brint bruges til at generere elektricitet uden at producere drivhusgasser. Det kan også bruges i forskellige kemiske reaktioner såsom hydrogenering, det vil sige som en kilde til hydridioner eller hydrogenatomelektroner.

Lagring og transport af brint i enten gasformig eller flydende tilstand er imidlertid ekstremt udfordrende, hvilket kræver dyrt udstyr og kølesystemer.

Professor Seiji Ogo fra Kyushu University's WPI-International Institute for Carbon-Neutral Energy (WPI-I ² CNER) har udviklet innovative løsninger på disse problemer. I deres seneste undersøgelse tog Ogo og hans kollega fra Kindai University inspiration fra naturen til at udvikle en iridium-baseret forbindelse med ejendommelige og bemærkelsesværdige nyttige egenskaber.

"Vi har aktivt udforsket hydrogenenergibærere, der let kan syntetiseres og bruges som de er. Disse forbindelser er baseret på hydrogenaseenzymet, der findes i naturen, og som kan katalysere hydrogen til protoner og elektroner ved stuetemperatur," forklarer Ogo. "En kerneide i vores tilgang, der førte til et gennembrud, var at se brint ikke som en kilde til negativt ladede hydridioner eller hydrogenatomer, men som elektroner."

Efter omhyggeligt at have undersøgt mange kombinationer af metalioner og organiske ligander, lavede forskerholdet en iridium-baseret forbindelse, som, når den udsættes for brint, inkorporerer den i metalcentret efter at have mistet en iodidion. På denne måde kan den foreslåede forbindelse effektivt udvinde og lagre elektroner fra brint.

Disse ændringer er let reversible under de rigtige forhold, og de lagrede elektroner kan let udvindes og bruges i kemiske reaktioner til at syntetisere værdifulde molekyler. I denne undersøgelse fokuserede forskerne på at bruge elektronerne lagret i forbindelsen til at katalysere cyclopropaneringsreaktioner.

Cyclopropaner er molekyler med en tre-leddet carbonringstruktur og repræsenterer vigtige strukturelle enheder i forskellige farmaceutiske lægemidler og organiske forbindelser. Konventionelle cyclopropanationer har dog produceret store mængder affaldsmetaller som biprodukter. Den foreslåede brintenergibærer omgår dette problem fuldstændigt.

"Cyklopropaneringsreaktionerne udført i vores undersøgelse bruger hydrogen i stedet for metaller som reduktionsmiddel og producerer således intet metalaffald. Dette er en stor fordel ved den foreslåede forbindelse i forhold til etablerede teknikker," bemærker Ogo.

Navnlig markerer denne undersøgelse også første gang, at en reaktion mellem hydrogen og alkener - carbonhydrider, der indeholder en carbon-dobbeltbinding - producerer cyclopropaner i stedet for de meget simplere alkaner.

Efter omfattende test fandt holdet ud af, at den foreslåede energibærer kan fange elektroner fra brint og opbevare dem i over tre måneder i fast tilstand ved stuetemperatur.

I det fremtidige arbejde planlægger Ogo og kolleger at fokusere på at udvikle en lignende energibærer ved hjælp af jerngruppeelementer, som er billigere og mere rigelige end iridium. Ved at fremme samarbejder mellem industri og akademi vil deres næste indsats sigte mod at udvikle skalerbare løsninger på praktiske problemer omkring kommende brintøkonomier.

"Vi tror oprigtigt, at den nuværende præstation vil bidrage til realiseringen af ​​et CO2-neutralt samfund," slutter Ogo.

Flere oplysninger: Seiji Ogo et al, Cyclopropanation Using Electrons Derived from Hydrogen:Reaction of Alkenes and Hydrogen without Hydrogenation, JACS Au (2024). DOI:10.1021/jacsau.4c00098

Leveret af Kyushu University