Tämä innovatiivinen prosessi ylittää aikaisempien kehitettyjen järjestelmien rajoitukset, jotka ovat vähemmän selektiivisiä tai liian epävakaita teolliseen käyttöön. Edistysaskel, joka julkaistiin lehdessä Nature Catalysis, avaa tien kestävälle fossiilisten polttoaineiden korvaavien polttoaineiden tuotannolle.
Hiilidioksidin (CO₂) muuntaminen arvokkaammiksi kemikaaleiksi, kuten polttoaineiksi, on merkittävä haaste vihreässä kemiassa. Koska CO₂-molekyyli on erittäin stabiili, tämä muuntaminen vaatii energiaa sekä tehokkaiden ja edullisten katalyytin kehittämistä.
Viime vuosina on kehitetty useita elektrolyyttisiä prosesseja, jotka hyödyntävät kuparipohjaisia elektrodeja katalyytteinä tai hiilipohjaisia elektrodeja, jotka on päällystetty molekyylikatalyytteillä. Aikaisemmin nämä ovat pääasiassa onnistuneet tuottamaan yksinkertaisia yhdisteitä, kuten hiilimonoksidia (CO) tai formiaattia (HCOO-). Monimutkaisempien tuotteiden, jotka sisältävät hiili-hiili-sidoksia, saaminen on edelleen haastavaa.
Vaikka kuparipohjaiset katalyytit onnistuvat tässä, ne tuottavat usein sekoituksen kahta tai useampaa hiiliatomia sisältäviä molekyylejä, tyypillisesti etanolia, mutta myös etyleeniä ja asetaattia, ilman kunnollista kontrollia selektiivisyydestä. Hiilen kiertotalouden näkökulmasta olisi tietenkin toivottavaa tuottaa suoraan etanolia ilman lisäpuhdistus- ja erottamisvaiheita.
Kansainvälinen tiedeleikkijöiden tiimi on äskettäin kehittänyt uuden katalyyttijärjestelmän, joka ylittää nämä esteet käyttämällä rautapohjaista orgaanista metallikompleksia, tetrafenyyliportfiinia rautaa tai Fe-TPP:tä, joka on asetettu nikkelipohjalle.
Hollantilaiset, amerikkalaiset, kanadalaiset ja ranskalaiset tutkijat (Pariisin molekyylikemian instituutissa - CNRS/Sorbonne Université) ovat käyttäneet innovatiivista lähestymistapaa, jossa molekyylikatalyytti, rautakompleksi, ripustetaan nikkelivaahtoon. Tämä strategia, joka hylkää perinteiset hiilipohjaiset tukimateriaalit ja käyttää metallielektrodeja huolimatta niiden potentiaalista kilpaileville elektrolyyttisille reaktioille, on mahdollistanut lähes täydellisen CO₂:n muuntamisen etanoliksi.
Huomionarvoista on, että nikkelistä ja Fe-TPP:stä valmistettu elektrodi tarjoaa korkeita etanolituottoja matalilla potentiaaleilla ilman ei-toivottujen sivutuotteiden, kuten asetaatin tai metaanin, tuottamista, ylittäen kaikki kuparipohjaiset järjestelmät. Ja tämä tehokkuus säilyy useiden tuntien käytön aikana.
Tämä edistysaskel, joka julkaistiin lehdessä Nature Catalysis, kyseenalaistaa pitkään vallinneet oletukset molekyylikatalyytteistä. Se tarjoaa erityisesti uusia elektrolyyttisiä reittejä CO₂:n ja CO:n muuntamiseen alkoholeiksi, kuten etanoliksi, mutta myös metanoliksi tai propanoliksi.
Tuotettu etanoli voidaan helposti varastoida ja käyttää uusiutuvana polttoaineena, tarjoten kestävän vaihtoehdon fossiilisille resursseille ja vähentäen riippuvuutta bioetanolin tuotannosta, joka kuluttaa paljon biomassaa ja vettä. Entä jos CO₂:n kiertokulku olisi pian valmis?
Huomautus:
* Toisin kuin perinteiset kiinteät tai metallikatalyytit, molekyylikatalyytit ovat usein orgaanisia metallikomplekseja, joissa keskeisen metalliatomin ympärillä on orgaanisia ligandeja, jotka muuttavat sen kemiallisia ominaisuuksia.
Kirjoittaja: AVR
Viite:
Eliminating redox-mediated electron transfer mechanisms on a supported molecular catalyst enables CO2 conversion to ethanol
Maryam Abdinejad, Amirhossein Farzi, Robin Möller-Gulland, Fokko Mulder, Chengyu Liu, Junming Shao, Jasper Biemolt, Marc Robert, Ali Seifitokaldani & Thomas Burdyny.
Nature Catalysis 2024
https://doi.org/10.1038/s41929-024-01225-1