Например, углекислый газ позволяет аккумулирование энергии, реагируя с водородным газом – назвал гидрогенизационный процесс – преобразование смеси в более высокие энергетические соединения жидкости, такие как метанол, который может легко транспортироваться и использоваться в качестве топлива для автомобилей. Точно так же гидрирование углекислого газа в присутствии других химикатов может привести к формированию различных продуктов с добавленной стоимостью, широко используемых в промышленности, таких как муравьиная кислота, formamides, или формальдегид. Эти химикаты могут также потенциально использоваться для аккумулирования энергии, поскольку, например, нагревая муравьиную кислоту при определенных условиях допускают выпуск водородного газа которым управляют и обратимым способом.
Преобразование углекислого газа в полезные продукты осложнено тем, что CO2 – наиболее окисленная форма углерода и как таковой очень стабильная и нереактивная молекула. Поэтому прямая реакция CO2 с водородом требует высокой энергии, делая процесс экономически неблагоприятным.
Эта проблема может быть преодолена, используя катализаторы, которые являются комплексами, используемыми в небольших количествах, чтобы ускорить реакции химикатов. В целях гидрирования CO2 самые известные катализаторы основаны на драгоценных металлах, таких как иридий, родий или рутений.
В то время как превосходные катализаторы, дефицит этих драгоценных металлов мешает использовать их в промышленных весах. Их также трудно переработать и потенциально ядовитый для окружающей среды. Другие катализаторы используют более дешевые металлы, такие как железо или кобальт, но требуют основанной на фосфоре молекулы – названный фосфином – окружение металла.
Фосфины не всегда стабильны вокруг кислорода и иногда горят яростно в воздушной атмосфере, которая представляет другую проблему для практического применения.Чтобы преодолеть эти проблемы, Единица Химии и Катализа Координации OIST во главе с профессором Юлией Хуснутдиновой сообщила в Катализе ACS о новых и эффективных катализаторах на основе недорогого и богатого металла: марганец. Марганец – третий самый в изобилии металл в земной коре после титана и железа, и представляет намного более низкую токсичность по сравнению со многими другими металлами, используемыми в гидрировании CO2.Ученые первоначально искали вдохновение в мире природы: гидрирование – реакция, которая происходит во многих организмах, у которых не было бы доступа к драгоценным металлам или фосфинам.
Они наблюдали, что структура определенных ферментов – hydrogenases – поняла, как они могли достигнуть гидрирования, используя простые, богатые Землей материалы. Чтобы облегчить гидрирование, ферменты используют ‘умную’ договоренность, где окружающая органическая структура сотрудничает с металлическим атомом – как железо – эффективно запуск реакции.«После рассмотрения hydrogenases, мы хотели проверить, могли ли бы мы сделать искусственные молекулы, который подражает этим ферментам, используя тот же самый тип общих материалов, как железо и марганец», объяснил доктор Абхишек Дуби, первый автор этого исследования.
Главная проблема этого исследования состояла в том, чтобы построить соответствующую структуру – назвал лиганд – вокруг марганца, чтобы вызвать гидрирование. Ученые придумали удивительно простую структуру лиганда, напоминающую натуральные hydrogenase ферменты с поворотом от типичных катализаторов фосфина.
«В большинстве случаев лиганды поддерживают металл без непосредственно принятия участия в активации химической связи. В нашем случае мы полагаем, что лиганд непосредственно участвует в реакции», сказал доктор Дуби.В дизайне лиганда структура лиганда плотно связана с его эффективностью.
Новый катализатор – лиганд и марганец вместе – могут выполнить больше чем 6 000 товарооборотов в гидрогенизационной реакции, преобразовав молекулы CO2 больше чем 6 000 раз перед распадом. И этот новый лиганд, результат сотрудничества с международной командой включая профессора Карло Нерви и г-на Луку Ненчини из Университета Турина в Италии и доктора Роберта Фейзаллина из России, прост произвести и стабильный в воздухе.
На данный момент катализатор в состоянии преобразовать углекислый газ в муравьиную кислоту, широко используемый продовольственный консервант и загорающего агента и formamide, у которого есть промышленное применение. Но многосторонность этого катализатора открывает много других возможностей.
«Наша следующая цель состоит в том, чтобы использовать такие структурно простые, недорогие марганцевые катализаторы, чтобы предназначаться для других типов реакций, в которых CO2 и водород могут быть преобразованы в полезные органические химикаты», завершила профессор Хуснутдинова.