_ Reactiv reciclabil și lumina solară converti monoxidul de carbon în metanol

Oamenii de știință de la Brookhaven National Laboratory al Departamentului de Energie al SUA (DOE) și de la Universitatea din Carolina de Nord Chapel Hill (UNC) au demonstrat conversia selectivă a dioxidului de carbon (CO2) în metanol folosind o strategie de reacție în cascadă. Procesul în două părți este alimentat de lumina soarelui, are loc la temperatura camerei și la presiunea ambiantă și folosește un reactiv organic reciclabil care este similar cu un catalizator găsit în fotosinteza naturală.

„Abordarea noastră este un pas important către găsirea unei modalități eficiente de a transforma CO2, un gaz cu efect de seră puternic care reprezintă o provocare semnificativă pentru umanitate, într-un combustibil lichid ușor de depozitat și transportabil”, a declarat chimist senior de Brookhaven Lab Javier Concepcion, autor principal al studiului.

Conversia CO2 la temperatura camerei în combustibili lichizi a fost o căutare de zeci de ani. Astfel de strategii ar putea ajuta la realizarea ciclurilor de energie neutre din punct de vedere al carbonului, în special dacă conversia este alimentată de lumina soarelui. Carbonul emis sub formă de CO2 prin arderea moleculelor de combustibil cu un singur carbon, cum ar fi metanolul, ar putea fi, în esență, reciclat pentru a produce combustibil nou, fără a adăuga carbon nou în atmosferă.

Metanolul (CH3OH) este o țintă deosebit de atractivă, deoarece este un lichid care poate fi ușor transportat și depozitat. Pe lângă utilitatea sa ca combustibil, metanolul servește ca materie primă cheie în industria chimică pentru a produce molecule mai complexe. De asemenea, deoarece metanolul conține doar un atom de carbon, cum ar fi CO2, el eludează necesitatea de a face legături carbon-carbon, care necesită procese consumatoare de energie.

Cu toate acestea, pașii cheie implicați în reacțiile necesare pentru a selectiv și generarea eficientă a combustibililor lichizi solari, cum ar fi metanolul, rămâne prost înțeles.

„Conversia CO2 în metanol este foarte dificil de realizat într-un singur pas. Din punct de vedere energetic, se aseamănă cu escaladarea unui munte foarte înalt”, a spus Concepcion. „Chiar dacă valea de pe cealaltă parte este la altitudine mai mică, ajungerea acolo necesită multă energie.”

În loc să încerce să rezolve provocarea într-o singură „urcare”, echipa Brookhaven/UNC a folosit o strategie în cascadă (în mai mulți pași) care trece prin mai multe intermediare care sunt mai ușor de atins.

„Imaginați-vă că urcați mai mulți munți mai mici în loc de unul mare – și faceți acest lucru prin mai multe văi”, a spus Concepion.

Văile reprezintă intermediari de reacție. Dar chiar și atingerea acestor văi poate fi dificilă, necesitând schimbul treptat de electroni și protoni între diferite molecule. Pentru a reduce cerințele de energie ale acestor schimburi, chimiștii folosesc molecule numite catalizatori.

„Catalizatorii permit atingerea următoarei vale prin „tunele” care necesită mai puțină energie decât urcarea peste munte”, a spus Concepcion.

Pentru acest studiu, echipa a explorat reacțiile care utilizează o clasă de catalizatori numiți dihidrobenzimidazoli. Acestea sunt hidruri organice – molecule care au doi electroni în plus și un proton pentru a „dona” altor molecule. Sunt ieftine, proprietățile lor pot fi ușor manipulate, iar studiile anterioare au arătat că pot fi reciclate, o cerință pentru un proces catalitic.

Aceste molecule sunt similare ca structură și funcție cu cofactorii organici responsabili de transport și furnizarea de energie sub formă de electroni și protoni în timpul fotosintezei naturale.

„Fotosinteza în sine este o cascadă de mai multe etape de reacție care transformă CO2 atmosferic, apa și energia luminoasă în energie chimică sub formă de carbohidrați – și anume zaharuri – care mai târziu pot fi metabolizate pentru a alimenta activitatea vieții. organisme. Abordarea noastră de a folosi hidruri organice biomimetice pentru a cataliza metanol ca combustibil lichid poate fi, prin urmare, privită ca o abordare artificială a fotosintezei", a spus coautorul principal al UNC, Renato Sampaio.

În studiu, chimiștii a rupt conversia CO2 în metanol în două etape: reducerea fotochimică a CO2 la monoxid de carbon (CO), urmată de transferuri secvențiale de hidrură de la dihidrobenzimidazoli pentru a transforma CO în metanol.

Lucrările lor descriu detaliile despre a doua etapă, pe măsură ce reacția se desfășoară printr-o serie de intermediari, inclusiv o grupare de monoxid de carbon legat de ruteniu (Ru-CO2+), un fragment ruteniu formil (Ru-CHO+), o grupare ruteniu hidroximetil (Ru-CH2OH+) și, în final, eliberarea de metanol indusă de lumină.

În timp ce primii doi pași ai acestei scheme sunt „reacții întunecate”, al treilea pas care are ca rezultat metanol liber este inițiat de absorbția luminii de către ruteniul hidroximetil (Ru-CH2OH+ ) complex. Mecanismul propus prin care acest lucru are loc este printr-un transfer de electroni în stare excitată între Ru-CH2OH+ și o moleculă de hidrură organică, urmat rapid de un transfer de protoni măcinați care are ca rezultat generarea de metanol în soluție.

„Natura selectivă și „un-oală” a acestei reacții are ca rezultat generarea de concentrații milimolare (mM) de metanol - același interval de concentrații ca și materiile prime - și evită complicațiile care au afectat eforturile anterioare de a utiliza catalizatori anorganici pentru acestea. reacții”, a spus coautorul UNC și directorul CHASE, Gerald Meyer. „Această activitate poate fi, prin urmare, privită ca un pas important în utilizarea catalizatorilor de hidrură organică regenerabilă în căutarea de decenii pentru producerea de metanol catalitic la temperatura camerei din CO2.”

(Fluierul)