OIST-onderzoekers ontwikkelden eenvoudige katalysatoren op basis van aardrijk mangaan om koolstofdioxide te gebruiken voor energieopslag of om het om te zetten in bruikbare chemicaliën voor de industrie.

Kooldioxide (CO2) staat bekend als een broeikasgas en speelt een essentiële rol bij klimaatverandering; het is geen wonder dat wetenschappers naar oplossingen hebben gezocht om de introductie ervan in het milieu te voorkomen. Echter, als een goedkope, gemakkelijk verkrijgbare en niet-giftige koolstofbron, de afgelopen jaren zijn er pogingen ondernomen om koolstofdioxide om te zetten in waardevolle goederen, of producten met toegevoegde waarde.

Bijvoorbeeld, kooldioxide maakt energieopslag mogelijk door te reageren met waterstofgas - het hydrogeneringsproces genoemd - en het mengsel om te zetten in vloeibare verbindingen met een hogere energie, zoals methanol, die gemakkelijk kunnen worden getransporteerd en gebruikt als brandstof voor auto's. evenzo, hydrogenering van kooldioxide in aanwezigheid van andere chemicaliën kan leiden tot de vorming van verschillende producten met toegevoegde waarde die veel worden gebruikt in de industrie, zoals mierenzuur, formamiden, of formaldehyde. Deze chemicaliën kunnen mogelijk ook worden gebruikt voor energieopslag, zoals bijvoorbeeld, verhitting van mierenzuur onder bepaalde omstandigheden zorgt voor de afgifte van waterstofgas op een gecontroleerde en omkeerbare manier.

De omzetting van kooldioxide in bruikbare producten wordt bemoeilijkt door het feit dat CO2 de meest geoxideerde vorm van koolstof is en als zodanig een zeer stabiel en niet-reactief molecuul. Daarom, de directe reactie van CO2 met waterstof vereist veel energie, waardoor het proces economisch ongunstig wordt. Dit probleem kan worden opgelost met behulp van katalysatoren, Dit zijn verbindingen die in kleine hoeveelheden worden gebruikt om chemische reacties te versnellen. Voor CO2-hydrogeneringsdoeleinden, de meeste bekende katalysatoren zijn gebaseerd op edele metalen zoals iridium, rhodium of ruthenium. Hoewel uitstekende katalysatoren, de schaarste van deze edele metalen maakt het moeilijk om ze op industriële schaal te gebruiken. Ze zijn ook moeilijk te recyclen en mogelijk giftig voor het milieu. Andere katalysatoren gebruiken goedkopere metalen zoals ijzer of kobalt, maar vereisen een op fosfor gebaseerd molecuul - fosfine genaamd - dat het metaal omringt. Fosfinen zijn niet altijd stabiel rond zuurstof en branden soms hevig in een luchtatmosfeer, wat een ander probleem vormt voor de praktische toepassingen.

Om deze problemen op te lossen, de OIST Coördinatie Chemie en Katalyse Unit onder leiding van Prof. Julia Khusnutdinova rapporteerde in ACS Katalyse nieuwe en efficiënte katalysatoren op basis van een goedkoop en overvloedig metaal:mangaan. Mangaan is het derde meest voorkomende metaal in de aardkorst, na titanium en ijzer, en vertoont een veel lagere toxiciteit in vergelijking met veel andere metalen die worden gebruikt bij de hydrogenering van CO2.

De wetenschappers zochten aanvankelijk inspiratie in de natuurlijke wereld:hydrogenering is een reactie die optreedt in veel organismen die geen toegang zouden hebben tot edele metalen of fosfines. Ze observeerden de structuur van specifieke enzymen - hydrogenasen - om te begrijpen hoe ze hydrogenering konden bereiken met behulp van eenvoudige, Aarde-overvloedige materialen. Om de hydrogenering te vergemakkelijken, enzymen maken gebruik van een 'slimme' opstelling waarbij het omringende organische raamwerk samenwerkt met een metaalatoom – zoals ijzer – om de reactie efficiënt op gang te brengen.

"Na het bekijken van hydrogenasen, we wilden controleren of we kunstmatige moleculen konden maken die deze enzymen nabootsen met dezelfde soort gebruikelijke materialen, zoals ijzer en mangaan, " verklaarde Dr. Abhishek Dubey, de eerste auteur van deze studie.

De belangrijkste uitdaging van deze studie was het bouwen van een adequaat frame - een ligand genaamd - rond het mangaan om de hydrogenering te induceren. De wetenschappers kwamen met een verrassend eenvoudige ligandstructuur die lijkt op natuurlijke hydrogenase-enzymen met een twist van typische fosfinekatalysatoren.

"In de meeste gevallen, liganden ondersteunen het metaal zonder direct deel te nemen aan een chemische bindingsactivering. In ons geval, we geloven dat het ligand direct deelneemt aan de reactie, "zei Dr. Dubey.

In ligandontwerp, de structuur van een ligand is nauw verbonden met zijn efficiëntie. De nieuwe katalysator – het ligand en het mangaan samen – kan meer dan 6, 000 omzetten in een hydrogeneringsreactie, omzetten van meer dan 6, 000 keer CO2-moleculen voordat ze vervallen. En dit nieuwe ligand, het resultaat van een samenwerking met een internationaal team waaronder Prof. Carlo Nervi en Mr. Luca Nencini van de Universiteit van Turijn in Italië en Dr. Robert Fayzullin uit Rusland, is eenvoudig te vervaardigen en stabiel in de lucht.

Voor nu, de katalysator is in staat koolstofdioxide om te zetten in mierenzuur, een veelgebruikt conserverings- en looimiddel voor levensmiddelen, en formamide, die industriële toepassingen heeft. Maar de veelzijdigheid van deze katalysator opent vele andere mogelijkheden.

"Ons volgende doel is om dergelijke structureel eenvoudige, inexpensive manganese catalysts to target other types of reactions in which CO2 and hydrogen can be converted into useful organic chemicals", concluded Prof. Khusnutdinova.