Genanvendeligt reagens og sollys omdanner kulilte til methanol
Forskere ved U.S. Department of Energy's (DOE) Brookhaven National Laboratory og University of North Carolina Chapel Hill (UNC) har påvist den selektive omdannelse af kuldioxid (CO2 ) til methanol under anvendelse af en kaskadereaktionsstrategi. Den todelte proces drives af sollys, finder sted ved stuetemperatur og ved omgivende tryk og anvender et genanvendeligt organisk reagens, der ligner en katalysator, der findes i naturlig fotosyntese.
"Vores tilgang er et vigtigt skridt hen imod at finde en effektiv måde at omdanne CO2 på , en potent drivhusgas, der udgør en betydelig udfordring for menneskeheden, til et let opbevaret og transporterbart flydende brændstof," sagde Brookhaven Lab Senior Chemist Javier Concepcion, en hovedforfatter på undersøgelsen.
Forskningen blev udført som en del af Center for Hybrid Approaches in Solar Energy to Liquid Fuels (CHASE), en Energy Innovation Hub baseret på UNC. Undersøgelsen er offentliggjort som forsideartiklen i Journal of the American Chemical Society .
Omdannelsen af CO2 ved stuetemperatur ind i flydende brændstoffer har været en årtier lang søgen. Sådanne strategier kan hjælpe med at opnå kulstofneutrale energicyklusser, især hvis omdannelsen er drevet af sollys. Det kulstof, der udsendes som CO2 ved at forbrænde enkeltkulstof-brændstofmolekyler, såsom methanol, kunne i det væsentlige genbruges til at lave nyt brændstof uden at tilføre noget nyt kulstof til atmosfæren.
Methanol (CH3 OH) er et særligt attraktivt mål, fordi det er en væske, der let kan transporteres og opbevares. Ud over dets anvendelighed som brændstof tjener methanol som et nøgleråmateriale i den kemiske industri til fremstilling af mere komplekse molekyler. Også fordi methanol kun indeholder ét carbonatom, som CO2 , det omgår behovet for at lave kulstof-kulstof-bindinger, som kræver energikrævende processer.
Imidlertid er nøgletrin involveret i de reaktioner, der kræves for selektivt og effektivt at generere flydende solbrændstoffer som methanol, stadig dårligt forstået.
"Konvertering af CO2 methanol er meget vanskeligt at opnå i et enkelt trin. Det er energimæssigt beslægtet med at bestige et meget højt bjerg," sagde Concepcion. "Selv hvis dalen på den anden side er i lavere højde, kræver det en masse energiindtag at komme dertil."
I stedet for at forsøge at tackle udfordringen i en enkelt "opstigning", brugte Brookhaven/UNC-teamet en kaskadestrategi (multi-trins), der går gennem flere mellemprodukter, som er nemmere at nå.
"Forestil dig at bestige flere mindre bjerge i stedet for et stort - og gøre det gennem flere dale," sagde Concepion.
Dalene repræsenterer reaktionsmellemprodukter. Men selv at nå disse dale kan være vanskeligt, hvilket kræver trinvis udveksling af elektroner og protoner mellem forskellige molekyler. For at sænke energikravene til disse udvekslinger bruger kemikere molekyler kaldet katalysatorer.
"Katalysatorer gør det muligt at nå den næste dal gennem 'tunneler', der kræver mindre energi end at klatre over bjerget," sagde Concepcion.
Til denne undersøgelse udforskede holdet reaktioner, der anvender en klasse af katalysatorer kaldet dihydrobenzimidazoler. Disse er organiske hydrider - molekyler, der har to ekstra elektroner og en proton til at "donere" til andre molekyler. De er billige, deres egenskaber kan let manipuleres, og tidligere undersøgelser har vist, at de kan genbruges, hvilket er et krav for en katalytisk proces.
Disse molekyler ligner i struktur og funktion organiske cofaktorer, der er ansvarlige for at transportere og levere energi i form af elektroner og protoner under naturlig fotosyntese.
"Fotosyntese i sig selv er en kaskade af mange reaktionstrin, der omdanner atmosfærisk CO2 , vand og lysenergi til kemisk energi i form af kulhydrater - nemlig sukkerarter - der senere kan omsættes til at sætte skub i levende organismers aktivitet. Vores tilgang med at bruge biomimetiske organiske hydrider til at katalysere methanol som et flydende brændstof kan derfor ses som en kunstig tilgang til fotosyntese," sagde UNC-hovedforfatter Renato Sampaio.
I undersøgelsen brød kemikerne omdannelsen af CO2 til methanol i to trin:fotokemisk reduktion af CO2 til carbonmonoxid (CO), efterfulgt af sekventielle hydridoverførsler fra dihydrobenzimidazoler for at omdanne CO til methanol.
Deres arbejde beskriver detaljerne i det andet trin, da reaktionen forløber gennem en række mellemprodukter, herunder en ruthenium-bundet carbonmonoxid (Ru-CO 2+ ) gruppe, en rutheniumformyl (Ru-CHO + ). )-del, en rutheniumhydroxymethyl (Ru-CH2). Åh + ) gruppe, og endelig lys-induceret methanolfrigivelse.
Mens de første to trin i dette skema er "mørke reaktioner", initieres det tredje trin, der resulterer i fri methanol af absorptionen af lys af rutheniumhydroxymethyl (Ru-CH2 Åh + ) kompleks. Den foreslåede mekanisme, hvorved dette sker, er gennem en elektronoverførsel i exciteret tilstand mellem Ru-CH2 Åh + og et molekyle af organisk hydrid efterfulgt hurtigt af en formalet protonoverførsel, der resulterer i dannelsen af methanol i opløsning.
"Denne reaktions 'one-pot' og selektive natur resulterer i dannelsen af millimolære (mM) koncentrationer af methanol - det samme koncentrationsområde som udgangsmaterialerne - og undgår komplikationer, der har plaget tidligere bestræbelser på at bruge uorganiske katalysatorer til disse reaktioner," sagde UNC-medforfatter og CHASE-direktør Gerald Meyer. "Dette arbejde kan derfor ses som et vigtigt skridt i brugen af vedvarende organiske hydridkatalysatorer til den årtier lange søgen efter stuetemperatur katalytisk methanolproduktion fra CO2 ."
Flere oplysninger: Andressa V. Müller et al., Reduction of CO to Methanol with Recyclable Organic Hydrides, Journal of the American Chemical Society (2024). DOI:10.1021/jacs.3c14605
Leveret af Brookhaven National Laboratory
Varme artikler
-
Hydrogel med langsom frigivelse hjælper immunterapi mod kræftEn syntetisk, injicerbar hydrogel udviklet ved Rice University øgede toksiciteten af en ny klasse af kræftbekæmpende immunterapimedicin. Dette scanningselektronmikroskopibillede viser de selvsamlede -
Informationsfilter til immunforsvarStruktur af MHC-I peptid-belastningskomplekset i membranen af det endoplasmatiske reticulum. Kredit:S. Trowitzsch, A. Möller, R. Tampé I dag, sociale medier hjælper os med at holde os ajour med -
Ikke flere superbugs? Ahornsirup ekstrakt forbedrer den antibiotisk virkningEn farvet scanningselektronmikrograf af MRSA. Kredit:National Institute of Allergy and Infectious Diseases Antibiotika redder liv hver dag, men der er en ulempe ved deres allestedsnærværende. Høje -
Forskere optrævler hemmelighederne om, hvordan natursten lyser i mørkeGlow-in-the-mørke hackmanit. Kredit:Mika Lastusaari Forskere ved Universitetet i Turku, Finland, har opdaget oprindelsen af gløden i det naturlige mineral, der genererer hvid luminescens i mørke
- Urørte skove bekæmper klimaændringer, men står over for trusler
- American Airlines sænker overskudsprognosen, da 737 MAX problemer bider
- Opera til Android indvarsler ny nattilstand
- Undersøgelse viser virkningerne af kinesisk skilsmisselovgivning på kvinders velbefindende
- Undersøgelse viser en formindsket, men robust sammenhæng mellem fagforeningsnedgang, stigende ulig…
- LoCoQuad:En arachnoid-inspireret robot til forsknings- og uddannelsesformål