Например, углекислый газ позволяет накапливать энергию за счет реакции с газообразным водородом — так называемого процесса гидрирования — превращая смесь в жидкие соединения с более высокой энергией, такие как метанол, которые можно легко транспортировать и использовать в качестве топлива для автомобилей. Точно так же гидрирование диоксида углерода в присутствии других химикатов может привести к образованию различных продуктов с добавленной стоимостью, широко используемых в промышленности, таких как муравьиная кислота, формамиды или формальдегид.
Эти химические вещества также могут потенциально использоваться для хранения энергии, так как, например, нагревание муравьиной кислоты при определенных условиях обеспечивает контролируемое и обратимое выделение газообразного водорода.Превращение углекислого газа в полезные продукты осложняется тем фактом, что СО2 является наиболее окисленной формой углерода и, как таковая, очень стабильной и инертной молекулой. Следовательно, прямая реакция CO2 с водородом требует больших затрат энергии, что делает процесс экономически невыгодным. Эту проблему можно решить с помощью катализаторов, которые представляют собой соединения, используемые в небольших количествах для ускорения химических реакций.
Для целей гидрогенизации CO2 наиболее известные катализаторы основаны на драгоценных металлах, таких как иридий, родий или рутений. Хотя эти драгоценные металлы являются отличными катализаторами, их нехватка затрудняет их использование в промышленных масштабах.
Их также трудно перерабатывать, и они потенциально токсичны для окружающей среды. В других катализаторах используются более дешевые металлы, такие как железо или кобальт, но требуется молекула на основе фосфора, называемая фосфином, окружающая металл. Фосфины не всегда стабильны в отношении кислорода и иногда сильно горят в атмосфере воздуха, что представляет собой еще одну проблему для практического применения.Чтобы преодолеть эти проблемы, Отдел координации химии и катализа OIST под руководством профессора Юлии Хуснутдиновой сообщил в ACS Catalysis о новых и эффективных катализаторах на основе недорогого и распространенного металла: марганца.
Марганец является третьим по распространенности металлом в земной коре после титана и железа и обладает гораздо меньшей токсичностью по сравнению со многими другими металлами, используемыми в гидрогенизации CO2.Первоначально ученые искали вдохновение в мире природы: гидрогенизация — это реакция, которая происходит во многих организмах, у которых нет доступа к драгоценным металлам или фосфинам.
Они наблюдали за структурой определенных ферментов — гидрогеназ — чтобы понять, как они могут осуществить гидрирование, используя простые, доступные на Земле материалы. Чтобы облегчить гидрирование, ферменты используют «умную» систему, в которой окружающий органический каркас взаимодействует с атомом металла, например, железа, что эффективно запускает реакцию.«Изучив гидрогеназы, мы хотели проверить, можем ли мы создать искусственные молекулы, имитирующие эти ферменты, с использованием того же типа обычных материалов, таких как железо и марганец», — объяснил доктор Абхишек Дубей, первый автор этого исследования.
Основная задача этого исследования заключалась в создании адекватного каркаса, называемого лигандом, вокруг марганца, чтобы вызвать гидрирование. Ученые придумали удивительно простую структуру лиганда, напоминающую природные ферменты гидрогеназы с отличием от типичных фосфиновых катализаторов.«В большинстве случаев лиганды поддерживают металл, не принимая непосредственного участия в активации химической связи. В нашем случае мы полагаем, что лиганд принимает непосредственное участие в реакции», — сказал д-р Дубей.
В дизайне лиганда структура лиганда тесно связана с его эффективностью. Новый катализатор — лиганд и марганец вместе — может выполнять более 6000 оборотов в реакции гидрирования, преобразуя более 6000 молекул CO2 перед распадом. И этот новый лиганд, результат сотрудничества с международной командой, включая профессора Карло Нерви и г-на Лука Ненсини из Туринского университета в Италии и доктора Роберта Файзуллина из России, прост в производстве и стабилен в воздухе.На данный момент катализатор способен превращать диоксид углерода в муравьиную кислоту, широко используемый пищевой консервант и дубитель, а также формамид, который имеет промышленное применение.
Но универсальность этого катализатора открывает множество других возможностей.«Наша следующая цель — использовать такие структурно простые и недорогие марганцевые катализаторы для нацеливания на другие типы реакций, в которых CO2 и водород могут быть преобразованы в полезные органические химические вещества», — заключила профессор Хуснутдинова.