Поглощение углекислого газа и превращение его в ценные продукты: исследователи удваивают полезные свойства, добавляя катализаторы в кристаллические губки.

«Было много попыток разработать гомогенные или гетерогенные катализаторы для углекислого газа, но прелесть использования COF заключается в том, что мы можем смешивать и сочетать лучшее из обоих миров, что означает, что у нас есть молекулярный контроль за счет выбора катализаторов плюс надежные кристаллические природа COF », — говорит Кристофер Чанг, химик из отдела химических наук лаборатории Беркли и соруководитель этого исследования. «На сегодняшний день такие пористые материалы в основном используются для улавливания и отделения углерода, но, демонстрируя, что они могут быть также использованы для катализа диоксидом углерода, наши результаты открывают огромный диапазон потенциальных применений в катализе и в энергетике».Чанг и Омар Яги, химик из отдела материаловедения лаборатории Беркли, которые изобрели COF, являются соответствующими авторами статьи в Science, в которой подробно описывается это исследование. Статья озаглавлена ​​«Ковалентные органические каркасы, содержащие порфирины кобальта для каталитического восстановления CO2 в воде».

Ведущие авторы — Сун Линь, Кристиан Диркс и Юэ-Бяо Чжан. Другие соавторы — Николай Корниенко, Ева Николс, Инбо Чжао, Обри Пэрис, Дохён Ким и Пейдонг Ян.

Чанг и Яги назначены на встречи в Калифорнийском университете в Беркли. Чанг также является исследователем Медицинского института Говарда Хьюза (HHMI). Яги — содиректор Энергетического нанонаучного института Кавли (Kavli-ENSI) в Калифорнийском университете в Беркли.

Известность углекислого газа из-за его воздействия на атмосферу и глобальное изменение климата затмила его ценность как обильного, возобновляемого, нетоксичного и негорючего источника углерода для производства широко используемых химических продуктов. Помня о сокращении выбросов углекислого газа в атмосферу, Яги и его исследовательская группа из Мичиганского университета в 2005 году спроектировали и разработали первые COF как средство отделения двуокиси углерода от дымовых газов. COF — это пористый трехмерный кристалл, состоящий из плотно сложенного компактного каркаса с чрезвычайно большой внутренней площадью поверхности — COF размером с кубик сахара, если его открыть и развернуть, покроет футбольное поле.

Губчатое качество обширной внутренней поверхности COF позволяет системе поглощать и хранить огромное количество целевых молекул, таких как углекислый газ.Теперь, с помощью другой техники, разработанной Яги, называемой «ретикулярной химией», которая позволяет «сшивать» молекулярные системы в сетчатые структуры, удерживаемые вместе прочными химическими связями, исследователи из лаборатории Беркли смогли встроить молекулярную основу COF с помощью порфириновый катализатор, кольцевая органическая молекула с атомом кобальта в ее ядре.

Порфирины — это электрические проводники, которые особенно хорошо переносят электроны в углекислый газ.«Ключевая особенность COF — это способность по желанию модифицировать химически активные центры с контролем на молекулярном уровне, настраивая строительные блоки, составляющие структуру COF», — говорит Яги. «Это дает значительное преимущество по сравнению с другими твердотельными катализаторами, где настройка каталитических свойств с таким уровнем рациональной конструкции остается серьезной проблемой. Поскольку порфириновые COF стабильны в воде, они могут работать в водном электролите с высокой селективностью по сравнению с конкурирующим восстановлением воды. реакции, необходимое условие для работы с дымовыми газами ".

В тестах производительности порфириновые COF показали исключительно высокую каталитическую активность — число оборотов до 290 000, что означает, что один COF порфирина может восстанавливать 290 000 молекул диоксида углерода до монооксида углерода каждую секунду. Это представляет собой 60-кратное увеличение каталитической активности молекулярного кобальтопорфиринового катализатора и ставит порфириновые COF среди самых быстрых и эффективных катализаторов среди всех известных агентов восстановления диоксида углерода. Кроме того, исследовательская группа считает, что есть много возможностей для дальнейшего улучшения показателей COF порфирина.

«Сейчас мы стремимся увеличить количество электроактивных центров кобальта и добиться более низких перенапряжений, сохраняя при этом высокую активность и селективность восстановления двуокиси углерода по сравнению с восстановлением протонов», — говорит Чанг. «Кроме того, мы работаем над расширением типов углеродных продуктов с добавленной стоимостью, которые можно производить с использованием COF и связанных с ними структур».


Новости со всего мира