ABŞ Energetika Departamentinin (DOE) Brookhaven Milli Laboratoriyasının və Şimali Karolina Universitetinin Çapel Hill Universitetinin (UNC) alimləri şəlalə reaksiya strategiyasından istifadə etməklə karbon qazının (CO ₂ ) seçici şəkildə metanola çevrilməsini nümayiş etdiriblər. İki hissəli proses günəş işığı ilə işləyir, otaq temperaturunda və mühit təzyiqində baş verir və təbii fotosintezdə olan katalizatora bənzər təkrar emal edilə bilən üzvi reagentdən istifadə edir.

Brookhaven Laboratoriyasının baş kimyaçısı Javier Concepcion, “Bizim yanaşmamız bəşəriyyət üçün əhəmiyyətli problem yaradan güclü istixana qazı olan CO _2- ni asanlıqla saxlanıla bilən və daşınan maye yanacağa çevirmək üçün səmərəli yol tapmaq istiqamətində mühüm addımdır ” dedi. təhsil haqqında.

Tədqiqat UNC-də yerləşən Enerji İnnovasiyaları Mərkəzi olan Günəş Enerjisindən Maye Yanacağa Hibrid Yanaşmalar Mərkəzinin (CHASE) bir hissəsi kimi aparılıb. Tədqiqat Amerika Kimya Cəmiyyəti Jurnalında üz qabığı məqaləsi kimi dərc olunub .

Otaq temperaturunda CO _2- nin maye yanacağa çevrilməsi onilliklər boyu davam edən axtarış olub. Bu cür strategiyalar karbon-neytral enerji dövrlərinə nail olmağa kömək edə bilər, xüsusən də konversiya günəş işığı ilə təmin olunarsa. Metanol kimi tək karbonlu yanacaq molekullarının yandırılması nəticəsində CO ₂ şəklində buraxılan karbon atmosferə yeni karbon əlavə etmədən yeni yanacaq əldə etmək üçün təkrar emal edilə bilər.

Metanol (CH ₃ OH) xüsusilə cəlbedici bir hədəfdir, çünki o, asanlıqla nəql edilə və saxlanıla bilən bir mayedir. Yanacaq kimi faydalı olması ilə yanaşı, metanol daha mürəkkəb molekulların istehsalı üçün kimya sənayesində əsas xammal kimi xidmət edir . Həmçinin, metanol CO ₂ kimi yalnız bir karbon atomunu ehtiva etdiyinə görə , enerji tələb edən proseslər tələb edən karbon-karbon bağlarının yaradılması ehtiyacını aradan qaldırır.

https://googleads.g.doubleclick.net/pagead/ads?client=ca-pub-0536483524803400&output=html&h=135&slotname=8188791252&adk=2329133447&adf=780081655&pi=t.ma~as.8188791252&w=540&fwrn=4&lmt=1711912542&rafmt=11&format=540×135&url=https%3A%2F%2Fphys.org%2Fnews%2F2024-03-recyclable-reagent-sunlight-carbon-monoxide.html&wgl=1&uach=WyJXaW5kb3dzIiwiMTAuMC4wIiwieDg2IiwiIiwiMTIzLjAuNjMxMi44NiIsbnVsbCwwLG51bGwsIjY0IixbWyJHb29nbGUgQ2hyb21lIiwiMTIzLjAuNjMxMi44NiJdLFsiTm90OkEtQnJhbmQiLCI4LjAuMC4wIl0sWyJDaHJvbWl1bSIsIjEyMy4wLjYzMTIuODYiXV0sMF0.&dt=1711912542004&bpp=3&bdt=1279&idt=787&shv=r20240327&mjsv=m202403250101&ptt=9&saldr=aa&abxe=1&cookie=ID%3D5d346f5e5cc96c83%3AT%3D1711816817%3ART%3D1711912135%3AS%3DALNI_MZdbuKX3JkLTYIASzwYTqXQsnfO5g&gpic=UID%3D00000d8601a1b778%3AT%3D1711816817%3ART%3D1711912135%3AS%3DALNI_MaQelh7liNnsBkMosJkThXBNbKuJw&eo_id_str=ID%3D3c61c6284063652a%3AT%3D1711816817%3ART%3D1711912135%3AS%3DAA-AfjZTZ5YTcMfFebI4RXZlGycf&prev_fmts=0x0&nras=1&correlator=7196952975467&frm=20&pv=1&ga_vid=1802142616.1711809852&ga_sid=1711912543&ga_hid=1179941492&ga_fc=1&rplot=4&u_tz=240&u_his=1&u_h=900&u_w=1440&u_ah=860&u_aw=1440&u_cd=24&u_sd=1&dmc=8&adx=347&ady=2007&biw=1423&bih=739&scr_x=0&scr_y=0&eid=44759875%2C44759926%2C44759842%2C31082031%2C31082198%2C95325974%2C95326315%2C95320378%2C95321867%2C95328825%2C31078663%2C31078665%2C31078668%2C31078670&oid=2&pvsid=1688743609753164&tmod=751381899&uas=3&nvt=3&ref=https%3A%2F%2Fphys.org%2Fweekly-news%2Fpage2.html&fc=1920&brdim=0%2C0%2C0%2C0%2C1440%2C0%2C1440%2C860%2C1440%2C739&vis=1&rsz=%7C%7CpeEbr%7C&abl=CS&pfx=0&fu=128&bc=31&bz=1&td=1&psd=W251bGwsbnVsbCwibGFiZWxfb25seV80IiwxXQ..&nt=1&ifi=2&uci=a!2&btvi=1&fsb=1&dtd=796

Bununla belə, metanol kimi günəş maye yanacaqlarını seçici və səmərəli şəkildə yaratmaq üçün tələb olunan reaksiyalarda iştirak edən əsas addımlar hələ də yaxşı başa düşülməmişdir.

“CO2 _– ni metanola çevirmək bir addımda əldə etmək çox çətindir. Bu, enerji baxımından çox hündür dağa dırmaşmağa bənzəyir”, – Konsepsion bildirib. “O tərəfdəki vadi daha aşağı hündürlükdə olsa belə, ora çatmaq üçün çoxlu enerji tələb olunur.”

Brookhaven/UNC komandası tək bir “dırmaşma” ilə problemin öhdəsindən gəlməyə çalışmaq əvəzinə, çatmaq daha asan olan bir neçə aralıqdan keçən kaskad (çox addımlı) strategiyadan istifadə etdi.

“Təsəvvür edin ki, böyük dağ əvəzinə bir neçə kiçik dağa qalxın və bunu bir neçə vadidən keçin” dedi Concepion.

Vadilər reaksiya aralıqlarını təmsil edir. Lakin bu vadilərə çatmaq belə çətin ola bilər, müxtəlif molekullar arasında elektron və protonların mərhələli mübadiləsini tələb edir. Bu mübadilələrin enerji tələblərini azaltmaq üçün kimyaçılar katalizator adlanan molekullardan istifadə edirlər.

“Katalizatorlar dağa qalxmaqdan daha az enerji tələb edən “tunellər” vasitəsilə növbəti vadiyə çatmağa imkan verir”, – Concepcion bildirib.

Bu tədqiqat üçün komanda dihidrobenzimidazollar adlı katalizatorlar sinfindən istifadə edərək reaksiyaları araşdırdı. Bunlar üzvi hidridlərdir – iki əlavə elektron və digər molekullara “vermək” üçün bir protonu olan molekullardır. Onlar ucuzdur, xassələri asanlıqla manipulyasiya edilə bilər və əvvəlki tədqiqatlar katalitik proses üçün tələbin təkrar emal oluna biləcəyini göstərdi.

Bu molekullar struktur və funksiya baxımından təbii fotosintez zamanı elektron və proton şəklində enerji daşımaq və çatdırmaqdan məsul olan üzvi kofaktorlara bənzəyir.

_{“Fotosintezin özü atmosferdəki CO 2} , su və işıq enerjisini karbohidratlar, yəni şəkərlər şəklində kimyəvi enerjiyə çevirən bir çox reaksiya addımlarının şəlaləsidir ki, bu da sonradan canlı orqanizmlərin fəaliyyətini dəstəkləmək üçün metabolizə edilə bilər. Bizim yanaşmamızdan istifadə edirik. Buna görə də metanolu maye yanacaq kimi kataliz etmək üçün biomimetik üzvi hidridlər fotosintezə süni yanaşma kimi nəzərdən keçirilə bilər” dedi UNC-nin həmmüəllifi Renato Sampaio.

Tədqiqatda kimyaçılar CO _2- nin metanola çevrilməsini iki mərhələyə böldülər: CO _{2 -nin} karbon monoksitinə ( CO) fotokimyəvi reduksiya, ardınca CO-ni metanola çevirmək üçün dihidrobenzimidazollardan ardıcıl hidrid köçürmələri.

Onların işi ikinci addımın təfərrüatlarını təsvir edir, çünki reaksiya ruteniumla əlaqəli karbon monoksit (Ru-CO ²⁺ ) qrupu, rutenium formil (Ru-CHO ⁺ ) hissəsi, rutenium hidroksimetil daxil olmaqla bir sıra ara məhsullar vasitəsilə gedir. (Ru-CH ₂ OH ⁺ ) qrupu və nəhayət, yüngül təsirli metanolun sərbəst buraxılması.

_{Bu sxemin ilk iki addımı “qaranlıq reaksiyalar” olsa da, sərbəst metanolla nəticələnən üçüncü mərhələ rutenium hidroksimetil (Ru-CH 2} OH ⁺ ) kompleksi tərəfindən işığın udulması ilə başlanır . Bunun baş verməsi üçün təklif edilən mexanizm Ru-CH ₂ OH ⁺ və üzvi hidrid molekulu arasında həyəcanlı vəziyyətdə elektron köçürməsi və bunun ardınca məhlulda metanolun əmələ gəlməsi ilə nəticələnən torpaq protonunun sürətlə ötürülməsidir.

Bu reaksiyanın ‘bir qazan’ və selektiv təbiəti metanolun millimolyar (mM) konsentrasiyalarının yaranması ilə nəticələnir – başlanğıc materiallarla eyni konsentrasiyalar diapazonu – və bu reaksiyalar üçün qeyri-üzvi katalizatorlardan istifadə etmək üçün əvvəlki səyləri çətinləşdirən fəsadların qarşısını alır. reaksiyalar,” UNC həmmüəllifi və CHASE direktoru Gerald Meyer bildirib. “Buna görə də bu işə bərpa olunan üzvi hidrid katalizatorlarının istifadəsində CO 2-dən otaq temperaturunda katalitik metanol istehsalı üçün onilliklər boyu davam edən axtarışda mühüm addım kimi baxmaq olar _. “

Ətraflı məlumat: Andressa V. Müller və başqaları, Təkrar emal oluna bilən üzvi hidridlərlə CO-nun metanola qədər azaldılması, Amerika Kimya Cəmiyyətinin jurnalı (2024). DOI: 10.1021/jacs.3c14605

Brookhaven Milli Laboratoriyası tərəfindən təmin edilmişdir