Naučnici iz Nacionalne laboratorije u Brukhejvenu Ministarstva energetike (DOE) i Univerziteta Severne Karoline Čapel Hil (UNC) demonstrirali su selektivnu konverziju ugljen-dioksida (CO₂) u metanol koristeći strategiju kaskadne reakcije. Dvodelni proces pokreće sunčeva svetlost, odvija se na sobnoj temperaturi i pri ambijentalnom pritisku i koristi organski reagens koji se može reciklirati koji je sličan katalizatoru koji se nalazi u prirodnoj fotosintezi.
„Naš pristup je važan korak ka pronalaženju efikasnog načina za pretvaranje CO₂, snažnog gasa staklene bašte koji predstavlja značajan izazov za čovečanstvo, u tečno gorivo koje se lako skladišti i prenosivo“, rekao je viši hemičar u laboratoriji u Brookhejvenu Havijer Konsepsion, vodeći autor na studiju.
Istraživanje je sprovedeno u okviru Centra za hibridne pristupe solarnoj energiji tečnim gorivima (CHASE), centra za energetske inovacije sa sedištem u UNC. Studija je objavljena kao članak na naslovnoj strani u Journal of the American Chemical Societi.
Pretvaranje CO₂ na sobnoj temperaturi u tečna goriva bila je decenijama duga potraga. Takve strategije bi mogle pomoći u postizanju energetskih ciklusa neutralnih ugljenika, posebno ako se konverzija pokreće sunčevom svetlošću. Ugljenik koji se emituje kao CO₂ sagorevanjem molekula goriva sa jednim ugljenikom, kao što je metanol, u suštini bi mogao da se reciklira u stvaranje novog goriva bez dodavanja novog ugljenika u atmosferu.
Metanol (CH 3 OH) je posebno atraktivna meta jer je tečnost koja se lako transportuje i skladišti. Pored svoje korisnosti kao goriva, metanol služi kao ključna sirovina u hemijskoj industriji za pravljenje složenijih molekula. Takođe, pošto metanol sadrži samo jedan atom ugljenika, kao što je CO₂, on zaobilazi potrebu za stvaranjem veza ugljenik-ugljenik, koje zahtevaju energetski intenzivne procese.
Međutim, ključni koraci uključeni u reakcije potrebne za selektivno i efikasno generisanje solarnih tečnih goriva poput metanola ostaju slabo shvaćeni.
„Pretvaranje CO₂ u metanol je veoma teško postići u jednom koraku. Energetski je slično penjanju na veoma visoku planinu“, rekao je Konsepsion. „Čak i ako je dolina na drugoj strani na nižoj nadmorskoj visini, za dolazak tamo je potrebno mnogo energije.“
Umesto da pokuša da se uhvati u koštac sa izazovom u jednom „penjanju“, tim iz Brookhejvena/UNC koristio je kaskadnu (višestepenu) strategiju koja prolazi kroz nekoliko međuproizvoda do kojih je lakše doći.
„Zamislite da se popnete na nekoliko manjih planina umesto na jednu veliku — i to kroz nekoliko dolina“, rekao je Koncepion.
Doline predstavljaju međuproizvode reakcije. Ali čak i dostizanje tih dolina može biti teško, zahtevajući postepenu razmenu elektrona i protona između različitih molekula. Da bi smanjili energetske potrebe ovih razmena, hemičari koriste molekule koji se nazivaju katalizatori.
„Katalizatori omogućavaju da se dođe do sledeće doline kroz ’tunele‘ koji zahtevaju manje energije od penjanja preko planine“, rekao je Konsepsion.
Za ovu studiju, tim je istraživao reakcije koristeći klasu katalizatora zvanih dihidrobenzimidazoli. To su organski hidridi — molekuli koji imaju dva dodatna elektrona i proton koji „doniraju“ drugim molekulima. Oni su jeftini, njihovim svojstvima se lako može manipulisati, a prethodne studije su pokazale da se mogu reciklirati, što je uslov za katalitički proces.
Ovi molekuli su slični po strukturi i funkciji organskim kofaktorima odgovornim za nošenje i isporuku energije u obliku elektrona i protona tokom prirodne fotosinteze.
„Sama fotosinteza je kaskada mnogih reakcionih koraka koji pretvaraju atmosfersku CO₂, vodu i svetlosnu energiju u hemijsku energiju u obliku ugljenih hidrata — odnosno šećera — koja se kasnije može metabolisati da bi podstakla aktivnost živih organizama. Naš pristup korišćenja biomimetički organski hidridi za katalizu metanola kao tečnog goriva se stoga mogu posmatrati kao veštački pristup fotosintezi“, rekao je ko-vodeći autor UNC Renato Sampaio.
U studiji, hemičari su razbili konverziju CO₂ u metanol u dva koraka: fotohemijsku redukciju CO₂ u ugljen monoksid (CO), praćeno uzastopnim transferima hidrida iz dihidrobenzimidazola da bi se CO₂ pretvorio u metanol.
Njihov rad opisuje detalje drugog koraka, dok se reakcija odvija kroz niz intermedijara, uključujući rutenijum-vezanu grupu ugljen monoksida (Ru-CO₂+), rutenijum formil (Ru-CHO +) deo, rutenijum hidroksimetil (Ru-CH 2 OH + ) grupa, i konačno, svetlom indukovano oslobađanje metanola.
Dok su prva dva koraka ove šeme „mračne reakcije“, treći korak koji rezultira slobodnim metanolom se pokreće apsorpcijom svetlosti rutenijum hidroksimetil (Ru-CH 2 OH +) kompleksom. Predloženi mehanizam kojim se ovo dešava je transfer elektrona u pobuđenom stanju između Ru-CH 2 OH + i molekula organskog hidrida, nakon čega brzo sledi transfer protona koji dovodi do stvaranja metanola u rastvoru.
„Jedan lonac“ i selektivna priroda ove reakcije rezultira stvaranjem milimolarnih (mM) koncentracija metanola — istog opsega koncentracija kao i početni materijali — i izbegavaju komplikacije koje su mučile prethodne napore da se koriste neorganski katalizatori za ove reakcije. reakcije“, rekao je koautor UNC-a i direktor CHASE Gerald Meier. „Ovaj rad se stoga može posmatrati kao važan korak u korišćenju obnovljivih organskih hidridnih katalizatora u višedecenijskoj potrazi za proizvodnjom katalitičkog metanola na sobnoj temperaturi iz CO₂.
