Растения поглощают энергию солнечного света для преобразования атмосферного углекислого газа (СО2) в сахар, а затем другие материалы для роста и метаболических функций. Подражая этой фотохимической реакции, чтобы эффективно преобразовывать CO2 в топливо и промышленно важных химических веществ будет оказывать поддержку устойчивому энергетическому будущему и сокращению выбросов парниковых газов.
Чтобы реализовать такой искусственный фотосинтез, ученые изучали каталитические системы, состоящие из нескольких компонентов, которые работают вместе, чтобы управлять передачей фотоиндуцированного электронов, необходимое для преобразования СО2 в богатые энергией продукты. Одним из таких продуктов является формиат, соли муравьиной кислоты — натуральная органическая химии состоит из водорода и молекулы СО2. Производства формиата от СО2 является привлекательной стратегией для долгосрочного хранения солнечных возобновляемых источников энергии в химической форме.
Многокомпонентных систем преобразования СО2, как правило, включают фотосенсибилизатора, катализатор, и жертвенный доноров электронов в растворе. При поглощении света фотосенсибилизатор переходит на возбужденное состояние, в котором он принимает электроны от донора. Катализатор — функция которого заключается в минимизации высокий энергетический барьер для активации СО2, очень стабильная молекула — затем использует эти высокоэнергетические электроны, чтобы завершить серию реакций.
Для многих исследований по конверсии СО2 с использованием молекулярных фотохимических катализаторов, например, на основе рутения и других комплексов металлов, триэтаноламин (TEOA) — это компонент, жертвуя электроны. Или, в некоторых случаях, TEOA принимает Протон (положительно заряженных ионов водорода) от более эффективного донора электронов для обеспечения своего жертвенного поведения. Несмотря на широкое использование TEOA, большая часть исследований на сегодняшний день не рассмотрена возможность этого компонента, играя второстепенные роли, такие как изменение временного химических веществ (промежуточных продуктов), созданных в течение каталитического цикла или увеличение скорости реакции.
Команда химиков из Национальной лабораторией Министерства энергетики (МЭ) США, Брукхейвен и Городского университета Нью-йоркском Колледже Баруха, чтобы изменить это.
«За последние 40 лет, большинство исследований катализаторов на сокращение выбросов CO2 были сосредоточены на анализе каталитической эффективности и селективности для конечного продукта», — сказал Ренато Сампайо, научный сотрудник в группе искусственного фотосинтеза отдела химии Брукхейвенской лаборатории. «Однако, важно знать, если и как TEOA взаимодействует с катализатором во время промежуточных стадий каталитического цикла, поскольку эти взаимодействия могут оказывать решающее влияние на эффективность и селективность образования продукта.»
Ориентируясь на известные каталитические системы в ацетонитрильном растворе, состоящем из карбонила рутения (атом углерода скреплены атом кислорода) катализатора из рутения на основе фотосенсибилизатора, общей доноров электронов известный как Биг, И TEOA выступает в качестве акцептора Протона способствовать жертвенного поведения Биг, химики сделали несколько удивительных открытий. Как они сообщили в статье, опубликованной онлайн на декабря. 27 в Журнале Американского химического общества, TEOA не на своей главной задачи эффективно принимать протоны от Боснии и Герцеговины, тем самым ограничивая каталитической активности. Однако, TEOA усиливает ключевых стадиях каталитического цикла для преобразования CO2 в формиат, целевого продукта.
Например, TEOA выступает в качестве источника протонов для поддержки формирования металл-гидридные (рутений придает водород), который затем взаимодействует с СО2, чтобы граница формиат (обязательно рутений). Кроме того, TEOA взаимодействует с СО2, образуя «цвиттерионных аддукт,» молекулы, содержащие как положительные, так и отрицательные электрические заряды. Когда этот аддукт присутствует в растворе, металл-гидридные взаимодействует с СО2, чтобы сделать формиат связаны со скоростью, которая на шесть порядков быстрее, чем без TEOA. Диссоциация связывания формиата в «свободном» формате-что может быть захвачено в качестве конечного продукта-это также шесть порядков быстрее из-за TEOA.
Чтобы сделать эти выводы, команда собрала обоих электрохимических и спектроскопических данных.
«Каталитический цикл может генерировать большое количество промежуточных продуктов реакции», — пояснил со-автор Эцуко Фудзита, руководитель группы искусственного фотосинтеза. «Задача состоит в том, характеризующий их спектроскопическими и электрохимическими методами».
Во-первых, исследователи измерили потенциалы сокращения катализатором (как легко катализатора приобретает электрон) в присутствии и отсутствии TEOA. Затем, они характеризуются спектроскопических колебаний карбонильной для различных форм катализатора до и после получения электрона. После этих электрохимии измерений, они проводили время-разрешенной ИК-спектроскопии эксперименты на наносекунды сроков для контроля каталитических интермедиатов в атмосферу СО2.
«Карбонильной что обязан рутений позволили нам изучить каждую промежуточные формы катализатором», — пояснил Сампайо. «Карбонильной очень чувствительный репортер ИК-спектроскопического, который остается привязанным к рутения в течение каталитического цикла, в отличие от других частей катализатора. Ее вибрационную частоту, или атомного движения, резко смещается в качестве катализатора можно электрон или происходят другие структурные изменения. Мы можем обнаружить эти изменения и просматривать их наряду с измерения электрохимии, чтобы рассказать, какие виды присутствуют».
В будущих исследованиях, команда будет изучать альтернативы TEOA, которые максимизируют жертвенной способности Биг, предлагая аналогичные возможности по укреплению каталитического цикла.
«Хотя наше исследование ориентировано на определенного класса катализаторов, мы твердо верим, что наши результаты могут широко применяться в других системах и должны быть учтены при исследовании каталитического восстановления СО2 до формиат», — сказал Фудзита.
сделать разницу: спонсорские возможности
Ответить
Хотите присоединиться к обсуждению?Не стесняйтесь вносить свой вклад!