Новое исследование ученых из Йельского университета и Университета Миссури показало, что катализаторы на основе марганца могут эффективно преобразовывать углекислый газ в формиат. Марганец широко распространен и дешев, что делает его привлекательной альтернативой дорогим металлам. Формиат считается перспективным материалом для хранения водорода, который может стать источником энергии для топливных элементов следующего поколения.
Исследование было опубликовано в журнале Chem. Ведущие авторы — постдокторант Йельского университета Джастин Ведал и аспирант Университета Миссури Кайлер Вирту. Среди старших авторов — профессор Йельского университета Нилай Хазари и профессор Университета Миссури Уэсли Бернскоттер.
Почему важны водородные топливные элементы?
Принцип работы водородных топливных элементов заключается в преобразовании химической энергии водорода в электричество, подобно тому, как это происходит в аккумуляторах. Несмотря на то, что эта технология открывает перспективы для развития экологически чистой энергетики, ее широкое внедрение сдерживается сложностью и дороговизной эффективного производства и хранения водорода.
"Утилизация диоксида углерода сейчас является приоритетом, поскольку мы ищем возобновляемое химическое сырье для замены сырья, получаемого из ископаемого топлива", - сказал Хазари, профессор химии Джона Рэндольфа Хаффмана и заведующий кафедрой химии факультета искусств и наук Йельского университета (FAS).
Формат как носитель водорода
Муравьиная кислота, протонированная форма формиата, уже производится в промышленных масштабах. Она широко используется в качестве консерванта, антибактериального средства, а также при дублении кожи. Многие ученые также рассматривают ее как практичный источник водорода для топливных элементов при условии, что ее производство будет экологичным и эффективным.
Сегодня в большинстве случаев при производстве формата в промышленных масштабах используется ископаемое топливо, что ограничивает его долгосрочную экологическую пользу. По мнению исследователей, более экологичной альтернативой было бы производство формата непосредственно из углекислого газа в атмосфере. Такой подход позволил бы снизить уровень выбросов парниковых газов и получить полезный химический продукт.
Задача Катализатора
Для превращения углекислого газа в формиат требуется катализатор, и это было главным препятствием. Многие из наиболее эффективных катализаторов, разработанных на сегодняшний день, содержат драгоценные металлы, которые являются дорогостоящими, редкими и зачастую токсичными. Более распространенные металлы быстро разрушаются, что снижает их способность стимулировать химическую реакцию.
Как марганец превзошел ожидания?
Исследовательская группа разработала новую стратегию для решения этой проблемы. Изменив структуру катализатора, они значительно продлили срок его службы. В результате эти катализаторы показали лучшие результаты по сравнению с большинством аналогов на основе драгоценных металлов.
По словам исследователей, ключевым улучшением стало добавление дополнительного донорного атома в структуру лиганда (лиганды — это атомы или молекулы, которые связываются с атомом металла и влияют на его реакционную способность). Это изменение помогло стабилизировать катализатор и сохранить его эффективность.
«Я рад, что разработка лигандов принесла такие значимые результаты», — сказал Ведал.
Более широкие перспективы для «чистой» химии
По мнению ученых, этот подход можно применять не только для преобразования углекислого газа. Аналогичные принципы проектирования могут улучшить катализаторы, используемые в других химических реакциях, что потенциально расширит сферу применения этой работы.