Onderzoekers van de Kyushu Universiteit hebben een waterstofenergiedrager ontwikkeld om enkele van de grootste hindernissen op de weg naar een duurzame waterstofeconomie aan te pakken. Zoals uitgelegd in een artikel gepubliceerd in JACS Au kan deze nieuwe verbinding op efficiënte wijze elektronen uit waterstof in vaste toestand "opslaan" om later in chemische reacties te gebruiken.

Waterstof is een veelbelovende bron van schone energie met veel onaangeboorde potentiële toepassingen in de industrie en het dagelijks leven. In tegenstelling tot conventionele brandstoffen kan waterstof worden gebruikt om elektriciteit op te wekken zonder broeikasgassen te produceren. Het kan ook worden gebruikt bij verschillende chemische reacties, zoals hydrogenering, dat wil zeggen als bron van hydride-ionen of waterstofatoomelektronen.

Het opslaan en transporteren van waterstof in zowel gasvormige als vloeibare toestand is echter een enorme uitdaging, waarvoor dure apparatuur en koelsystemen nodig zijn.

Professor Seiji Ogo van het WPI-International Institute for Carbon-Neutral Energy van Kyushu University (WPI-I ² CNER) heeft innovatieve oplossingen voor deze problemen ontwikkeld. In hun meest recente onderzoek haalden Ogo en zijn collega van Kindai University inspiratie uit de natuur om een ​​op iridium gebaseerde verbinding te ontwikkelen met bijzondere en opmerkelijk nuttige eigenschappen.

"We hebben actief onderzoek gedaan naar waterstof-energiedragers die gemakkelijk kunnen worden gesynthetiseerd en gebruikt zoals ze zijn. Deze verbindingen zijn gebaseerd op het waterstofase-enzym dat in de natuur voorkomt en dat waterstof bij kamertemperatuur in protonen en elektronen kan katalyseren", legt Ogo uit. "Een kernidee van onze aanpak dat tot een doorbraak leidde, was om waterstof niet te zien als een bron van negatief geladen hydride-ionen of waterstofatomen, maar als elektronen."

Na zorgvuldig vele combinaties van metaalionen en organische liganden te hebben onderzocht, heeft het onderzoeksteam een ​​op iridium gebaseerde verbinding gemaakt die, wanneer blootgesteld aan waterstof, deze in het metaalcentrum opneemt nadat een jodide-ion verloren is gegaan. Op deze manier kan de voorgestelde verbinding effectief elektronen uit waterstof extraheren en opslaan.

Deze veranderingen zijn onder de juiste omstandigheden gemakkelijk omkeerbaar, en de opgeslagen elektronen kunnen gemakkelijk worden geëxtraheerd en gebruikt in chemische reacties om waardevolle moleculen te synthetiseren. In deze studie concentreerden de onderzoekers zich op het gebruik van de elektronen die in de verbinding zijn opgeslagen om cyclopropaneringsreacties te katalyseren.

Cyclopropanen zijn moleculen met een drieledige koolstofringstructuur en vertegenwoordigen belangrijke structurele eenheden in verschillende farmaceutische geneesmiddelen en organische verbindingen. Conventionele cyclopropanaties hebben echter grote hoeveelheden afvalmetalen als bijproducten geproduceerd. De voorgestelde waterstofenergiedrager omzeilt dit probleem volledig.

"De cyclopropaneringsreacties die in ons onderzoek zijn uitgevoerd, gebruiken waterstof in plaats van metalen als reductiemiddel en produceren dus geen metaalafval. Dit is een groot voordeel van de voorgestelde verbinding ten opzichte van gevestigde technieken", merkt Ogo op.

Opvallend is dat dit onderzoek ook de eerste keer is dat een reactie tussen waterstof en alkenen (koolwaterstoffen die een dubbele koolstofbinding bevatten) cyclopropanen produceert in plaats van de veel eenvoudigere alkanen.

Na uitgebreide tests ontdekte het team dat de voorgestelde energiedrager elektronen uit waterstof kan vangen en deze ruim drie maanden in vaste toestand bij kamertemperatuur kan opslaan.

In toekomstig werk zijn Ogo en collega's van plan zich te concentreren op de ontwikkeling van een soortgelijke energiedrager met behulp van elementen uit de ijzergroep, die goedkoper en overvloediger zijn dan iridium. Door samenwerking tussen de industrie en de academische wereld te bevorderen, zullen hun volgende inspanningen gericht zijn op het ontwikkelen van schaalbare oplossingen voor praktische problemen rond de opkomende waterstofeconomieën.

"Wij geloven oprecht dat de huidige prestatie zal bijdragen aan de realisatie van een koolstofneutrale samenleving", besluit Ogo.

Meer informatie: Seiji Ogo et al, Cyclopropanering met behulp van elektronen afgeleid van waterstof:reactie van alkenen en waterstof zonder hydrogenering, JACS Au (2024). DOI:10.1021/jacsau.4c00098

Aangeboden door Kyushu Universiteit