Obračanje molekularnih priključkov povečuje aktivnost katalizatorja ogljikovega dioksida: novo razumevanje lahko znanstvenikom pomaga oblikovati učinkovitejše katalizatorje za pretvorbo CO2 v uporabne izdelke | 2020

Vsebina:

Anonim

Raziskava, ki je združila laboratorijske poskuse s teoretično analizo, kaže, da lahko v temi le ena od dveh molekularnih ureditev učinkovito spremeni CO2 formata (HCOO-), prekurzorja metanola. V prisotnosti svetlobe pa obe vrsti tvorita skupni vmesni produkt, ki lahko preoblikuje CO2 ogljikovega monoksida (CO), uporabne surovine za proizvodnjo goriv in industrijskih kemikalij.

"Obstaja veliko zanimanje za iskanje načinov za ponovno uporabo CO2 ustvariti ogljično nevtralno družbo, "je dejal kemik Brookhaven Etsuko Fujita, ki je vodil eksperimentalni del tega dela." Reakcije za proizvodnjo proizvodov, kot so metanol ali ogljikovodiki iz CO2 zelo koristno. Toda če razmišljate o vnosu energije in rezultatih teh reakcij, je zelo težko, «je dejala.

Iskanje bolj učinkovitih katalizatorjev je ključnega pomena za zmanjšanje energije, potrebne za začetek teh reakcij. Ker so različni raziskovalci predlagali, da bi katalizator iridijevega hidrida lahko bil izboljšanje v primerjavi z drugimi dobro znanimi katalizatorji za proizvodnjo CO iz CO2, Fujitina skupina se je lotila te raziskave, da bi raziskala njen mehanizem delovanja.

"Če razumete, kako deluje katalizator, lahko pogosto oblikujete načine, kako spremeniti njegovo funkcijo, da bo še bolje delovala," je dejal Zahid Ertem, katerega teoretična analiza je zagotovila okvir za razumevanje eksperimentalnih rezultatov.

Na podlagi prejšnjih raziskav so znanstveniki domnevali, da bi lahko obstajale dve različici teh različnih katalizatorskih molekularnih ureditev istih atomov, znanih kot izomeri. In njihovi poskusi so jim omogočili, da izolirajo dve različici.

Edina strukturna razlika med dvema izomeroma je preprosto obrnjeno pozicioniranje dveh povezanih obročev atomov glede na preostanek molekule, ki je povezana z osrednjim iridijevim atomom z negativno nabitim atomom ogljika, drugi pa z nevtralnim dušikom. atom. Toda to preprosto obrnjeno pozicijo teh dveh obročev ima dramatičen učinek na lastnosti posameznih molekul.

Na primer, molekula je bila veliko bolj verjetno, da odstopi od tako imenovanega hidridnega iona - negativno nabitega iona, ki ga sestavlja proton in dva elektrona -, ko je bil ogljikov vezani obroč v položaju nasproti hidridu v primerjavi s tistim, ko je dušik povezan v tem položaju.

"To je pomembno zaradi kemične pretvorbe CO2 pri drugih produktih, kot so ogljikovodiki, lahko olajšamo, ko se elektroni prenesejo v CO2 dva v času, ko se nahajata v hidridnih ionih, "je dejal Ertem." Torej je katalizator z višjo težnjo, da sprosti te hidridne ione - višjo hidravličnost - potencialno veliko boljši katalizator.

"Medtem ko je generiranje formata prvi korak v možnem zaporedju reakcij prenosa hidrida, predvidevamo, da gremo dlje od formata - na primer v metanol," je dejal.

Drugi cilj študije je bil raziskati vlogo iridijevega hidrida kot predlaganega ključnega intermediata pri pretvorbi CO2 Toda, kot se izkaže, je vmesnik oblika molekule, ki nima hidrida, vendar ima ogljikov vezan obroč v nasprotnem položaju, kjer bi hidrid pritrdil.

"Dejansko, ne glede na to, s katerim izomerom smo začeli, teoretični izračuni kažejo, da se ta vrsta z ogljikom nasproti prostemu hidridnemu položaju oblikuje kot intermediat, ki nato katalizira pretvorbo CO2 na CO, "je dejal Ertem.

"Ker je ta intermediat tako reaktiven," je dodal Fujita, "je izjemno težko eksperimentalno izolirati - kar je eden od razlogov, da je teoretična analiza tako pomembna za to študijo. Teoretična analiza je potrdila vse meritve, ki smo jih lahko naredili, in napovedal obstoj ta ključni vmesnik, «je rekla.

Teoretični izračuni so ponudili tudi vpogled v to, zakaj je pozicioniranje ogljikovega atoma tako bistveno za reaktivnost te vrste, in lahko predlaga strategije za racionalno načrtovanje bolj učinkovitih katalizatorjev.

"V osnovnem stanju je dolžina kovinsko-hidridne vezi bistveno daljša v izomeri, kjer je ogljik nasproti hidrida kot je v zrcaljenem izomeru, kjer je atom dušika nasproti hidrida," je dejal Ertem. "Za razliko od nevtralnega dušikovega atoma, negativno nabite ogljik" potiska "elektrone skozi atom kovine proti hidridnemu ionu, podaljšuje kovinsko-hidridno vez in povečuje hidrostatično. med reakcijami, ko je ogljik v tem položaju. "

Naslednji korak bi lahko bil poskus oblikovanja še bolj reaktivnega katalizatorja z dodajanjem močnih elektronov donatorskih skupin.