Посредством фотосинтеза растения превращают солнечный свет, воду и CO2 в сахара, полуглеродные молекулы, которые подпитывают клеточные процессы. Таким образом, CO2 является предшественником ископаемого топлива, которое занимает центральное место в современной жизни, а также побочным продуктом его сжигания. Способность производить синтетическое жидкое топливо из стабильных кислородсодержащих предшественников углерода, таких как CO2 и монооксид углерода (CO), напоминает фотосинтез в природе и является желательной трансформацией в искусственных системах. В течение примерно столетия химический метод, известный как процесс Фишера-Тропша, использовался для преобразования газообразного водорода (H2) и CO в жидкое топливо.
Однако его механизм не совсем понятен, и, в отличие от фотосинтеза, процесс требует высокого давления (от 1 до 100 раз выше атмосферного) и температуры (от 100 до 300 градусов Цельсия).Совсем недавно появились сообщения об альтернативных способах конверсии для получения жидкого топлива из кислородсодержащих предшественников углерода.
Используя медные электрокатализаторы, CO и CO2 могут быть преобразованы в многоуглеродные продукты. Процесс протекает в мягких условиях, но как он протекает, остается загадкой.Теперь профессор химии Калифорнийского технологического института Тео Агапи и его аспирант Джошуа Басс разработали модельную систему, чтобы продемонстрировать, как могут выглядеть начальные этапы процесса превращения CO в углеводороды.Результаты, опубликованные в виде расширенной онлайн-публикации для журнала Nature 21 декабря 2015 года (и появившиеся в печати 7 января 2016 года), обеспечивают основу для разработки технологий, которые однажды могут помочь нейтрализовать негативные эффекты атмосферного накопления.
CO2, парникового газа, превращая его обратно в топливо. Хотя существуют методы преобразования CO2 в CO, что является важным следующим шагом, дезоксигенация молекул CO и их связывание с образованием связей C-C является более сложной задачей.В своем исследовании Агапи и Басс синтезировали новый комплекс переходного металла — атом металла, в данном случае молибдена, связанный одной или несколькими поддерживающими молекулами, известными как лиганды, — которые могут способствовать активации и расщеплению молекулы CO. Постепенное восстановление молекулы приводит к значительному ослаблению связей C-O CO.
После ослабления связь полностью разрывается за счет введения силильных электрофилов, класса кремнийсодержащих реагентов, которые можно использовать в качестве суррогатов протонов.Это расщепление приводит к образованию концевого карбида — одиночного атома углерода, связанного с металлическим центром, — который впоследствии образует связь со второй молекулой CO, координированной с металлом. Исследователи говорят, что хотя карбид обычно предлагается в качестве промежуточного звена в восстановительном взаимодействии CO, это первая прямая демонстрация его роли в химии этого типа. При образовании связи C-C металлический центр высвобождает продукт C2.
В целом, этот процесс превращает две единицы CO в производное этинола и легко протекает даже при температурах ниже комнатной."Насколько нам известно, это первый пример четко определенной реакции, которая может взять две молекулы монооксида углерода и превратить их в безметалловое производное этинола, молекулу, связанную с этанолом; тот факт, что мы можем высвободить продукт C2 из металл важен », — говорит Агапие.Хотя полученное производное этинола не может использоваться в качестве топлива, оно представляет собой шаг на пути к созданию синтетического поликарбонатного топлива из диоксида углерода. Теперь исследователи применяют знания, полученные в ходе этого первоначального исследования, для улучшения процесса. «В идеале, наше понимание поможет в разработке практических каталитических систем», — говорит Басс.
Ученые также работают над способом разорвать связь C-O, используя протоны вместо силильных электрофилов. «В конечном итоге мы хотели бы использовать протоны из воды и эквиваленты электронов, полученные из солнечного света», — говорит Агапи. «Но протоны очень реактивны, и сейчас мы не можем контролировать эту химию».