Aardgas bestaat uit lichte koolwaterstoffen zoals methaan en ethaan. Dergelijke gassen zijn krachtigere broeikasgassen dan CO₂ , komen voortdurend vrij in de atmosfeer door aardgasbronnen en zijn moeilijker op te slaan dan bijvoorbeeld de overeenkomstige alcoholen (respectievelijk methanol en ethanol).

Hoewel er grootschalige faciliteiten bestaan ​​voor de transformatie van aardgas, sluiten de buitensporige kosten van het bouwen en exploiteren van dergelijke centrales bij kleinere aardgasbronnen een effectieve conversie wereldwijd uit. Er is dus grote vraag naar nieuwe, kosteneffectieve en goedaardige technologieën om dit probleem op te lossen.

De directe oxidatie van koolwaterstofbestanddelen van aardgas met een overvloed aan O₂ als oxidatiemiddel bij bijna omgevingstemperaturen en -druk is het daarom buitengewoon aantrekkelijk voor de ontwikkeling van nieuwe groene technologieën voor de valorisatie van koolwaterstoffen. Wetenschappers zijn er nu in geslaagd de gassen onder controle te krijgen met een nieuwe katalysator. Het onderzoeksteam heeft hun resultaten gepubliceerd in Science .

De natuur heeft enzymen ontwikkeld die dizuurstof kunnen activeren voor selectieve koolwaterstofoxygenatiereacties. Eén klasse van niet-heem-ijzerbevattende enzymen zijn de α-ketoglutaraatafhankelijke dioxygenasen, zoals het goed bestudeerde enzym taurinedioxygenase (TauD). Dit enzym gebruikt een α-ketozuur als co-substraat om de zuurstof-zuurstofbinding van dizuurstof te splitsen, waardoor een reactieve ijzer-oxo-soort (TauD-J) ontstaat die overvloedige C-H-bindingen rechtstreeks van zuurstof voorziet om de overeenkomstige alcoholen te verschaffen. /P>

Een internationaal team van onderzoekers onder leiding van prof. Jeffrey R. Long van UC Berkeley, met onder meer onderzoekers van zowel de Mülheim Max Planck Instituten (MPI für Kohlenforschung en MPI for Chemical Energy Conversion), directeuren Frank Neese en Serena DeBeer, als groepsleiders Eckhard Bill (overleden op 6 oktober 2022), Daniel J. SantaLucia, Dimitrios A. Pantazis en Sergey Peredkov slaagden erin de TauD-functionaliteit na te bootsen in een heterogeen katalysatormateriaal dat zeer geschikt is voor reacties met vast gas.

Dit materiaal behoort tot de klasse van metaal-organische raamwerken (MOF's), dit zijn kristallijne poreuze materialen bestaande uit organische linkers en metaalionen of clusterknooppunten met grote oppervlakken. De structuren zijn zeer chemisch afstembaar en maken dus een goed gedefinieerde aanpassing van nieuwe heterogene katalysatoren mogelijk.

De nieuwe materialen zijn in staat tot katalytische zuurstofvoorziening van koolwaterstoffen bij bijna omgevingstemperaturen met behulp van O₂ – doet denken aan enzymreactiviteit. Het team van de Mülheim Chemistry Campus bestudeerde het reactieve tussenproduct dat werd gegenereerd door de start-MOF en O₂ , een hoogwaardige ijzer-oxo-soort.

De aard van het materiaal maakte locatie-isolatie van deze reactieve ijzer-oxo-soort mogelijk, die werd bestudeerd met verschillende geavanceerde spectroscopische technieken, namelijk Mössbauer-spectroscopie met variabele temperatuur en variabel veld en Fe Kβ röntgenemissiespectroscopie. (verzameld bij de PINK röntgenbundellijn bij BESSY II in het Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie), evenals ultramoderne computermethoden, die structurele en elektronische overeenkomsten met TauD-J bevestigden, namelijk dat het tussenproduct bevindt zich in een hoge spin-toestand.

Het is veelbetekenend dat dit het eerste niet-enzymatische systeem is dat lichte koolwaterstoffen oxideert met dizuurstof, vergelijkbaar met metallo-enzymreactiviteit, via een volledig gekarakteriseerd ijzer-oxo-tussenproduct met hoge spin.

Meer informatie: Kaipeng Hou et al., Reactieve ijzer(IV)-oxo-plaatsen met hoge spin door activering van zuurstof in een metaal-organisch raamwerk, Wetenschap (2023). DOI:10.1126/science.add7417

Journaalinformatie: Wetenschap

Aangeboden door Max Planck Society