Sommige van de economische sectoren die het moeilijkst te decarboniseren zijn, zouden baat hebben bij de opkomst van aanzienlijk efficiëntere katalysatoren die betrokken zijn bij chemische reacties op het gebied van energieomzetting. Een doorbraak hier zou kunnen afhangen van het gebruik van pigmenten die op grote schaal worden gebruikt in biologische processen die als katalysator worden geïntegreerd in nieuwe en zeer poreuze moleculaire structuren die als een soort sponzen werken.

Een paper waarin de stand van zaken op dit gebied en de uitdagingen waarmee het wordt geconfronteerd wordt beschreven, werd gepubliceerd in het tijdschrift Nano Research Energy op 29 mei.

In de afgelopen jaren hebben porfyrines en metalloporfyrines een steeds belangrijkere rol gespeeld in de biomimetische chemie, het gebruik van zonne-energie, medicijnen en een groot aantal andere toepassingen. Maar het gebruik van porfyrines in elektrokatalyse en fotokatalysereacties die centraal staan ​​in veel energieconversieprocessen die nuttig zijn voor de schone transitie, bleek onstabiel, gedeactiveerd en moeilijk te recyclen, wat de verdere ontwikkeling van deze energieconversietechnologieën heeft beperkt.

Dus wetenschappers zijn begonnen met de integratie van porfyrines als de organische liganden (het ion dat bindt aan een centraal metaalatoom in een complex molecuul) in synthetische moleculaire structuren die bekend staan ​​als metaal-organische raamwerken (MOF's) en hun dubbele, covalent-organische raamwerken (COF's)—bekend als op porfyrine gebaseerde raammaterialen.

"Dit zou in principe uitstekende elektrokatalyse- en fotokatalyseprestaties moeten opleveren, aangezien de MOF- en COF-structuren eenvoudig te synthetiseren en sterk ontworpen zijn, dus veel beter controleerbaar en structureel stabiel", zegt Yusuke Yamauchi, een co-auteur van het artikel en onderzoeker bij de Australische Instituut voor Bio-engineering en Nanotechnologie aan de Universiteit van Queensland.

"De onderzoekers, die zelf betrokken zijn bij de ontwikkeling van raamwerkmaterialen op basis van porfyrine, hebben een overzichtsartikel samengesteld waarin de stand van zaken in hun vakgebied wordt beschreven. Dergelijke overzichtsdocumenten zijn nodig voor jonge velden om vooruitgang te boeken, omdat ze het huidige begrip verduidelijken, vooruitgang en uitdagingen bespreken , lacunes in het onderzoek identificeren en zelfs richtlijnen voor beleid en tips voor beste praktijken kunnen bieden," Huan Pang, een co-auteur van het artikel en de onderzoeker bij de School of Chemistry and Chemical Engineering aan de Yangzhou University, China

Het artikel onderzoekt alle huidige en potentiële toepassingen van op porfyrine gebaseerde katalysatoren voor raamwerkmateriaal en stelt vast dat er nog steeds een groot potentieel is, maar het veld staat voor verschillende uitdagingen.

In een economie van netto-nul-uitstoot van broeikasgassen, kan niet alles worden geëlektrificeerd - vooral zwaar transport over lange afstanden - en dus zal een of andere vorm van schone brandstoffen nodig zijn, zoals koolstofneutrale synthetische koolwaterstoffen, ammoniak of waterstof. Al deze brandstoffen omvatten de omzetting van schone energie - of het nu van de zon, wind, water of uranium is - in transporteerbare en stabiele chemische energie. Een deel van dit proces vereist de productie van schone waterstof door het gebruik van elektriciteit, licht of warmte om water te splitsen in zijn samenstellende elementen, waterstof en zuurstof.

Koolwaterstoffen zijn samengesteld uit verschillende verhoudingen van koolstof en waterstof, vandaar de naam. Dus de schone, synthetische versies die hun vuile fossiele neven vervangen, zullen koolstofdioxide uit de atmosfeer moeten halen en omzetten in verschillende bruikbare vormen van koolstof als input om te trouwen met de schone waterstof. Koolstof uit de atmosfeer opzuigen en er gebruik van maken, wordt ook wel koolstofafvang en -gebruik (CCU) genoemd.

Al deze processen, en vele andere die betrokken zijn bij de schone transitie (de overgang van fossiele brandstoffen naar schone technologieën), zoals het gebruik van brandstofcellen en het opvangen van licht, zijn in feite chemische reacties die energie omzetten van de ene vorm naar de andere, meer bruikbare vorm . Deze chemische reacties vereisen toevoeging van stoffen die bekend staan ​​als katalysatoren die de reactie versnellen. Sommige van die katalysatoren zijn extreem duur, zoals platina, of zijn niet efficiënt genoeg om het eindproduct te laten concurreren met fossiele brandstoffen, of hun eigen milieu-uitdagingen te veroorzaken.

Er wordt dus gezocht naar efficiëntere, goedkopere en schonere katalysatoren zoals porfyrine.

De ontwikkeling van efficiënte, niet-edele, op porfyrine gebaseerde katalysatoren voor skeletmateriaal ter vervanging van edelmetaalkatalysatoren blijft een belangrijke hindernis. Het ontwerp en de constructie van porfyrineblokken is momenteel voornamelijk gebaseerd op een zeer symmetrisch ontwerp, dat de diversiteit van porfyrineraamwerkfamilies beperkt en hun potentiële katalytische toepassingen beïnvloedt. Nieuwe structuren die porfyrine-eenheden met een asymmetrisch ontwerp gebruiken, moeten worden overwogen om het nut van de stof uit te breiden.

De kosten voor het bereiden van porfyrineraamwerkmaterialen blijven hoog en daarom is het dringend noodzakelijk dat ingenieurs nieuwe synthesemethoden ontwikkelen als deze katalysatoren in grootschalige industriële toepassingen moeten worden gebruikt. Het verminderen van het aantal benodigde stappen in de synthese is een belangrijk onderzoek, maar het is ook buitengewoon moeilijk om dit te doen.

Ze concluderen echter dat als dergelijke uitdagingen worden overwonnen, op porfyrine gebaseerde raammaterialen een game-changer kunnen zijn in de commercialisering van energieconversieprocessen die essentieel zijn voor sommige van de sectoren die het moeilijkst koolstofvrij te maken zijn.

Porfyrinen zijn enkele van de hardst werkende stoffen in de biologie. Deze klasse van pigmenten wordt ingezet in een breed scala aan vitale processen, van fotosynthese tot ademhaling. Derivaten van deze in water oplosbare, ringvormige moleculen die metaalionen binden, zijn onder meer chlorofylen in planten en de hemoglobines die zuurstof vervoeren in het bloed van dieren. Ze versterken ook de katalytische activiteiten van enzymen in een reeks andere levengevende chemische reacties. Metalloporfyrinen zijn van bijzonder belang met betrekking tot de schone overgang vanwege hun rol als katalysatoren bij het splitsen van water om waterstof en zuurstof te produceren. + Verder verkennen

Nieuwe katalysator verhoogt radicaal de omzettingssnelheid van koolstofdioxide in zonnebrandstoffen