Hvordan laboratoriefremstillede katalysatorer kan hjælpe med at omdanne vanskelige drivhusgasser

Naturgas består af lette kulbrinter som metan og ethan. Sådanne gasser er mere potente drivhusgasser end CO₂ , frigives konstant til atmosfæren fra naturgasbrønde, og er sværere at opbevare end f.eks. deres tilsvarende alkoholer (henholdsvis methanol og ethanol).

Mens der findes faciliteter i stor skala til omdannelse af naturgas, udelukker de alt for store omkostninger ved at bygge og drive sådanne anlæg ved mindre naturgasbrønde effektiv omdannelse globalt. Derfor er nye omkostningseffektive og godartede teknologier til at løse dette problem meget eftertragtede.

Den direkte oxidation af kulbrintebestanddele i naturgas med rigeligt O₂ da oxidanten ved nær omgivende temperaturer og tryk er derfor yderst attraktiv for udviklingen af ​​nye grønne teknologier til kulbrintevalorisering. Det er nu lykkedes for forskere at få gasserne under kontrol med en ny katalysator. Forskerholdet har offentliggjort deres resultater i Science .

Naturen har udviklet enzymer, der er i stand til at aktivere dioxygen til selektive kulbrinte-iltningsreaktioner. En klasse af ikke-hæmjernholdige enzymer er de a-ketoglutaratafhængige dioxygenaser, såsom det velundersøgte enzym taurindioxygenase (TauD). Dette enzym anvender en α-ketosyre som et co-substrat til at spalte oxygen-oxygen-bindingen af ​​dioxygen for at give en reaktiv jern-oxo-art (TauD-J), der oxygenerer rigelige C-H-bindinger direkte for at tilvejebringe de tilsvarende alkoholer.

Et internationalt team af forskere ledet af prof. Jeffrey R. Long ved UC Berkeley, og inklusive forskere fra både Mülheim Max Planck Institutes (MPI für Kohlenforschung og MPI for Chemical Energy Conversion), direktørerne Frank Neese og Serena DeBeer, samt gruppeledere Eckhard Bill (død 6. oktober 2022), Daniel J. SantaLucia, Dimitrios A. Pantazis og Sergey Peredkov var i stand til at efterligne TauD-funktionaliteten i et heterogent katalysatormateriale, der er velegnet til faststof-gas-reaktioner.

Dette materiale tilhører klassen af ​​metal-organiske rammer (MOF'er), som er krystallinske porøse materialer bestående af organiske linkere og metalioner eller klynge noder, der har store overfladearealer. Strukturerne er meget kemisk afstembare og muliggør således veldefinerede skræddersyede nye heterogene katalysatorer.

De nye materialer er i stand til katalytisk carbonhydridiltning ved nær omgivende temperaturer ved at udnytte O₂ - minder om enzymreaktivitet. Holdet på Mülheim Chemistry Campus studerede det reaktive mellemprodukt genereret fra start-MOF og O₂ , en højvalent jern-oxo-art.

Materialets beskaffenhed tillod stedisolering af denne reaktive jern-oxo-art, som blev undersøgt med forskellige state-of-the-art spektroskopiske teknikker, nemlig variabel-temperatur variabel-felt Mössbauer spektroskopi og Fe Kβ røntgen emission spektroskopi (samlet ved PINK X-ray beamline ved BESSY II ved Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie), samt avancerede beregningsmetoder, som bekræftede strukturelle og elektroniske ligheder med TauD-J, nemlig at mellemproduktet er i højspin-tilstand.

Det er væsentligt, at dette er det første ikke-enzymatiske system, der oxiderer lette carbonhydrider med dioxygen beslægtet med metalloenzym-reaktivitet via et fuldt karakteriseret high-spin jern-oxo-mellemprodukt.

Flere oplysninger: Kaipeng Hou et al., Reaktive højspin jern(IV)-oxo-steder gennem dioxygenaktivering i en metal-organisk ramme, Science (2023). DOI:10.1126/science.add7417

Journaloplysninger: Videnskab

Leveret af Max Planck Society