Guaninsyntese giver ny indsigt i nitrogens rolle i nanocarbonkatalyse

For nylig er kulstofbaserede katalysatorer - især nitrogen-doterede nanocarboner - dukket op som bæredygtige, pålidelige alternativer til de metalkatalysatorer, der traditionelt bruges til at understøtte kemiske reaktioner.

Forskere fra Key Laboratory of Advanced Carbon-Based Functional Materials (Fujian Province University) ved Fuzhou University syntetiserede nanocarboner fra guaninmolekyler for bedre at forstå den præcise rolle nitrogen spiller i kulstofbaserede materialer og udforske reaktionsmekanismerne i disse katalytiske systemer.

I et nyligt offentliggjort studie afklarede forskerholdet, hvordan forskellige typer nitrogen kan modulere oxidativ dehydrogeneringsaktivitet - en kritisk proces involveret i at omdanne inerte forbindelser til reaktivt nanocarbon.

Undersøgelsen blev publiceret i tidsskriftet Carbon Future den 4. februar.

"Undersøgelsen tilbyder teoretisk vejledning til at skabe yderst effektive kulstofkatalysatorer, som kan fremme ren energi omdannet fra vedvarende ressourcer i industrier som plastik, medicin og gummi," sagde studieforfatter Zailai Xie fra Fuzhou University.

Doping af kulstofmaterialer med heteroatomer som nitrogen kan ændre kulstoffets egenskaber. Denne praksis har vundet betydelig interesse, hvilket får forskere til at undersøge mulige fordele. Især nitrogendoping har vist sig at være en yderst effektiv strategi til at skabe avancerede materialer til kuldioxidopsamling, energiomdannelse, energilagring og andre anvendelser.

På trods af de fremskridt, der tages inden for nitrogen-doping, er der stadig nogle nøglespørgsmål, der forbliver ubesvarede. For eksempel er ydeevnen af ​​nanocarbonmaterialer væsentligt påvirket af funktionelle grupper af atomer på overfladen - men indtil videre udviser nanocarbonmaterialer ukontrollerbare overfladefunktionelle grupper, hvilket komplicerer identifikation af aktive steder for forskellige typer reaktioner.

"Denne adfærd hindrer vores forståelse af den iboende rolle, som nitrogen-dopanter spiller i at forbedre den katalytiske aktivitet og bestemme den katalytiske mekanisme," sagde Xie.

Ifølge Xie har forskere brug for mere kontrollerede og bedre karakteriserede katalysatorer for yderligere at fremme feltet for nitrogen-doteret nanocarbon-katalyse. Dette ville give forskere mulighed for at isolere virkningerne af specifikke nitrogenarter på katalytisk ydeevne.

For at nå dette mål udviklede Fuzhou University-forskerholdet en metode til præcist at kontrollere overfladefunktionelle grupper, hovedsageligt oxygen- og nitrogengrupper, under generering af nanocarbonkatalysatorer.

Holdet opnåede et sæt nanocarboner gennem selvsamlende guaninmolekyler - en forbindelse fundet i guano- eller fiskeskæl - og udsatte det resulterende materiale for varme uden ilt. Med inspiration fra den supramolekylære selvsamling af biologiske komponenter såsom guanin og relaterede nukleobaser såsom guanosin, tilbyder denne syntetiske tilgang et spændende middel til at generere ordnede nanomaterialer.

Disse molekyler har π-stablede, H-bundne og andre multiplekse bindingssteder, der letter dannelsen af ​​funktionelle supramolekylære samlinger. Guanin, der er udbredt til stede i de biogene fotoniske strukturer af forskellige levende organismer, udviser forskellige former og størrelser, herunder sekskantede plader, firkantede plader, uregelmæssige polygoner og prismer.

De subtile variationer i morfologien af ​​guaninkrystaller bidrager til de farverige optiske fænomener, der observeres hos dyr, såsom fiskeskæl, edderkoppekroppe og dyreøjne. Den præcise kontrol af morfologien af ​​biogene guaninkrystaller i organismer er dog stadig dårligt forstået.

På trods af guaninkrystallers bemærkelsesværdige egenskaber er den kunstige produktion af regulære guaninkrystaller, der tæt efterligner biologiske forhold og deres efterfølgende omdannelse til funktionelle kulstofmaterialer, endnu ikke opnået i den kemiske syntesetilgang.

"De syntetiserede carboner udviste unikke og spændende egenskaber, herunder relativt stabile overfladeoxygengrupper og højt nitrogenindhold," sagde Xie.

Derudover muliggjorde tilstedeværelsen af ​​flere hydrogenbindinger i guanin dannelsen af ​​et todimensionelt nanoark med kontrollerbare typer nitrogen-dotering. Nitrogenindholdet kan finjusteres fra ca. 5% til 30 at%, mens iltindholdet kan holdes på konstant 4%.

"Denne unikke egenskab gør guanin til en ideel proof-of-concept-forløber for konstruktionsmodelkatalysatorer, der kan føre til en dybtgående forståelse af den rolle, som doteringsmidler med højt nitrogenindhold spiller i nanocarbonkatalyse," sagde Xie.

For yderligere at undersøge forholdet mellem struktur og funktion testede holdet dehydrogenerings- og hydrogeneringsreaktioner, hvor brintmolekyler fjernes eller føjes til et større molekyle. Testene viste, at forskellige typer af nitrogen i nanocarbonerne, nemlig grafitisk nitrogen og pyridinisk nitrogen, fungerer som henholdsvis elektrondonerende og elektrontiltrækkende modulatorer, som kan skræddersy den oxidative dehydrogeneringsaktivitet af nanocarbonerne.

"Som en effektiv, metalfri katalysator har vi for første gang afdækket rollerne af nitrogen-dotering i både dehydrogenering og hydrogenering," sagde Xie. "Vi mener, at vores resultater giver værdifuld indsigt i de fysisk-kemiske reaktionsmekanismer for nitrogen-doterede kulstofkatalytiske systemer og tilbyder teoretisk vejledning til syntesen af ​​yderst effektive kulstofkatalysatorer."

Flere oplysninger: Xuefei Zhang et al., Identifikation af rolle af nitrogen-dotering i nanocarbon-katalyse, Carbon Future (2024). DOI:10.26599/CF.2024.9200008

Leveret af Tsinghua University Press