Zespół naukowców z Centrum Nowych Technologii Uniwersytetu Warszawskiego oraz Kalifornijskiego Instytutu Technologicznego zbadał nowy, dwuwymiarowy szkielet metaloorganiczny o zwiększonej wydajności tworzenia metanu i etylenu. Wyniki badań zostały opublikowane w czasopiśmie „Journal of the American Chemical Society”.
Elektrokatalityczna redukcja dwutlenku węgla do prostszych związków chemicznych, takich jak metan, etylen czy etanol, jest ważnym procesem w ekologicznej produkcji energii. Badania naukowe potwierdzają, że najlepszym elektrokatalizatorem jest metaliczna miedź. Jej wydajność jest jednak w tym przypadku ograniczona. Naukowcy szukają innych rozwiązań, wykorzystujących dodatkowo tańsze i bardziej przyjazne dla środowiska reakcje chemiczne. Zespół badaczy z Uniwersytetu Warszawskiego i Kalifornijskiego Instytutu Technicznego (California Institute of Technology) zaproponowali zastosowanie w tym zakresie dwuwymiarowych szkieletów metaloorganicznych, które są materiałami utworzonymi z jonów metali lub nieorganicznych klastrów połączonych sztywnymi organicznymi łącznikami.
– Struktury te spełniają zarówno kryterium wydajności, jak i ekonomiczności. Cieszą się one obecnie bardzo dużym zainteresowaniem ze względu na łatwość syntezy oraz właściwości katalityczne. Atrakcyjność dwuwymiarowych szkieletów metaloorganicznych polega na ich modułowej budowie, bardzo dużej powierzchni materiału oraz wysokiej porowatości, dzięki czemu znalazły zastosowanie w separacji i magazynowaniu gazów, rozdziale mieszanin, czy transporcie leków. Mają one również duży potencjał redukcji dwutlenku węgla, który pozwala na uzyskanie różnych ważnych substancji chemicznych – wyjaśnia dr hab. Silvio Osella z Laboratorium Symulacji Systemów Chemicznych i Biologicznych, Centrum Nowych Technologii (CeNT) UW.
Wydajniejsza synteza etylenu
Badacz z UW wskazuje, że standardowy proces elektrokatalityczny, w którym uzyskuje się etylen z dwutlenku węgla, jest wieloetapowy, a kluczowym procesem jest ten, w którym powstaje cząsteczka CO–CO.
– Wymagana do jej uzyskania energia jest często bardzo wysoka, powodując konieczność zastosowania podwyższonej temperatury lub innych, ostrych warunków reakcji. Dlatego wiele grup naukowych dąży do opracowania nowych związków chemicznych lub materiałów, które sprawią, że etap ten będzie szybki, a cały proces tańszy, szybszy lub zachodzący w łagodniejszych warunkach, czyli bardziej zrównoważony – mówi prof. Bartosz Trzaskowski z CeNT UW.
Ograniczenia przestrzenne w takich niskowymiarowych materiałach jak dwuwymiarowe szkielety metaloorganiczne stymulują właściwości, które można wykorzystać do zwiększenia wydajności produkcji w wielu rodzajach ważnych reakcji chemicznych. – W tej konkretnej publikacji w „Journal of the American Chemical Society” opisujemy, w jaki sposób szczególna klasa dwuwymiarowych szkieletów metaloorganicznych opartych na rdzeniu ftalocyjaninowym działa jako centrum reaktywne do wydajnej produkcji etylenu i metanu – zaznacza dr hab. Osella.
Nowe mechanizmy reakcji
Autor publikacji tłumaczy, że w badaniach, których był głównym autorem i wykonawcą, przeanalizowany został mechanizm reakcji katalitycznej przy użyciu nowych, bardzo dokładnych metodologii obliczeniowych Grand Canonical Potential Kinetics (GCP-K) oraz Grand Canonical Quantum Mechanics (GC-QM). Opracowane przez zespół z Kalifornijskiego Instytutu Technicznego, pozwalają na przewidywanie szybkości reakcji przy stałym potencjale zewnętrznym, które można bezpośrednio porównać z danymi eksperymentalnymi.
– Dzięki tym metodom zaproponowaliśmy mechanizm reakcji leżący u podstaw tworzenia metanu i etylenu na badanym dwuwymiarowym szkielecie metaloorganicznym i zwiększający wydajność produkcji do 50% dla etylenu i 25% dla metanu. Są to jedne z najwyższych odnotowanych wydajności dla tych reakcji i dwuwymiarowych materiałów – mówi dr hab. Osella, dodając: – Pokazaliśmy również, że kluczowy etap reakcji różni się od standardowego etapu dimeryzacji CO–CO obserwowanego na powierzchniach miedzi, a zatem wymaga znacznie mniej energii. W rezultacie badany dwuwymiarowy szkielet metaloorganiczny zachowuje się jak katalizator jednoatomowy.
W przyszłości zastosowania metodologia może zostać użyta do zaprojektowania nowych dwuwymiarowych szkieletów metaloorganicznych lub innych materiałów, które pozwolą na bardziej wydajną konwersję CO2 do metanu i etylenu lub innych paliw i surowców chemicznych. Taka sztuczna konwersja dwutlenku węgla jest niezbędna zarówno do zmniejszenia jego emisji, ale także realizacji zrównoważonego rozwoju ludzkości zagrożonego przez wyczerpywanie się paliw kopalnych i ich nieodnawialność.
