نظارت ميانجی در CO2 تبدیل به فرمات توسط کاتالیست های فلزی

نظارت ميانجی در CO2 تبدیل به فرمات توسط کاتالیست های فلزی

با مشخص موقت محصولات واکنش ایجاد شده در کاتالیزوری چرخه برای تبدیل یک جوی آلاينده به یک انرژی-غنی سوخت دانشمندان کشف کرده اند که به طور گسترده ای استفاده می شود ترکیب به فکر بازی تنها یک "قربانی" نقش در واقع افزایش کلیدی مراحل چرخه

UPTON, NY—گیاهان را در انرژی از نور خورشید برای تبدیل اتمسفری دی اکسید کربن (CO₂) به قند و سپس مواد دیگر برای رشد و سوخت و ساز توابع. به تقلید از این واکنش فتوشیمیایی کارآمد تبدیل CO₂ به سوخت و صنعتی از مواد شیمیایی مهم را در حمایت پایدار آینده انرژی و کاهش انتشار گازهای گلخانه ای.

برای تحقق بخشیدن به چنین فتوسنتز مصنوعی دانشمندان در حال مطالعه کاتالیزوری سیستم های متشکل از چند جزء است که با هم کار کنند برای درایو انتقال عکس ناشی از الکترون مورد نیاز برای تبدیل CO₂ به انرژی و سرشار از محصولات. یک محصول است که فرمات نمک شکل اسید فرمیک—به طور طبیعی اتفاق می افتد شیمیایی آلی ساخته شده از هیدروژن و CO₂ مولکول. تولید فرمات از CO₂ در نظر گرفته شده است جذاب استراتژی برای ذخیره سازی طولانی مدت از انرژی خورشیدی انرژی های تجدید پذیر در صنایع شیمیایی فرم.

چند CO₂ تبدیل سیستم به طور معمول شامل یک حساسگر نوری یک کاتالیزور و یک قربانی الکترون دهنده در راه حل. پس از جذب نور حساسگر نوری جهش به یک حالت هیجان زده که در آن آن را می پذیرد الکترون از اهدا کننده. کاتالیزور—که تابع این است که برای به حداقل رساندن انرژی بالا مانع برای فعال کردن شرکت₂بسیار پایدار مولکول—سپس با استفاده از این انرژی الکترون برای تکمیل یک سری از واکنش های.

برای بسیاری از مطالعات در فتوشيميايی CO₂ تبدیل با استفاده از کاتالیزور مولکولی مانند کسانی که بر اساس ruthenium و دیگر فلزی مجتمع تری اتانول آمین (TEOA) جزء اهدای الکترون. و یا در برخی موارد TEOA پذیرش یک پروتون (با بار مثبت یون هیدروژن) از کارآمد تر الکترون دهنده به اطمینان حاصل شود آن قربانی رفتار است. با وجود استفاده گسترده از TEOA بسیاری از تحقیقات به تاریخ در نظر گرفته نشده امکان این جزء بازی نقش ثانویه مانند تغییر موقت گونه های شیمیایی (واسطه) تولید شده در داخل کاتالیزوری چرخه یا افزایش نرخ واکنش.

یک تیم از داروخانه ها از ایالات متحده آمریکا وزارت انرژی (DOE) آزمایشگاه ملی بروکهیون و دانشگاه شهر نیویورک کالج مجموعه ای از تغییر آن است.

"برای 40 سال گذشته بیشتر مطالعات انجام شده در شرکت₂ کاهش کاتالیزور باید با تمرکز بر تجزیه و تحلیل کاتالیزوری بهره وری و انتخاب برای محصول نهایی" گفت: Renato Sampaio یک دستیار پژوهش در فتوسنتز مصنوعی از بروکهیون آزمایشگاه شیمی بدست آورد. "این مهم است که بدانید اگر و چگونه TEOA تعامل با کاتالیزور طول متوسط مراحل کاتالیزوری چرخه به دلیل این تعامل ممکن است قاطعانه بر بهره وری و انتخاب محصول سازند."

با تمرکز بر یک به خوبی شناخته شده کاتالیزوری سیستم در یک acetonitrile راه حل متشکل از یک ruthenium carbonyl (اتم کربن متصل به اتم اکسیژن) کاتالیزور یک ruthenium-بر اساس حساسگر نوری مشترک الکترون دهنده شناخته شده به عنوان BIH و TEOA اقدام به عنوان یک پروتون پذیرنده به ترویج قربانی رفتار BIH این داروخانه ها ساخته شده برخی از اکتشافات شگفت انگیز. به عنوان آنها گزارش شده در یک مقاله منتشر شده در Dec. 27 در Journal of the American Chemical Society, TEOA نتواند در آن اولیه در نظر گرفته شده وظیفه کارآمد پذیرش پروتون از BIH, در نتیجه محدود کردن فعالیت کاتالیزوری. اما TEOA افزایش کلیدی مراحل کاتالیزوری چرخه برای تبدیل CO₂ به فرمات هدف محصول.

برای مثال TEOA به عنوان یک پروتون منبع حمایت از شکل گیری یک metal hydride (ruthenium متصل به هیدروژن) که پس از آن در تعامل با شرکت₂ را محدود فرمات (محدود به ruthenium). علاوه بر این TEOA تعامل با CO₂ به شکل یک "zwitterionic adduct" یک مولکول های حاوی هر دو مثبت و منفی بارهای الکتریکی. زمانی که این adduct حاضر است در راه حل metal hydride تعامل با شرکت₂ را محدود فرمات در یک رای است که شش سفارشات از قدر سریع تر از آن است بدون TEOA. این تفکیک محدود فرمات به "رایگان" فرمات—که می تواند به عنوان اسیر محصول نهایی—نیز شش سفارشات از قدر سریع تر به دلیل TEOA.

به این تعیین تیم های جمع آوری شده هر دو الکتروشیمیایی و spectroscopic داده است.

"کاتالیزوری چرخه تولید می تواند تعداد زیادی از واکنش ميانجی" توضیح داد co-نویسنده مسئول Etsuko Fujita رهبر مصنوعی, فتوسنتز ، "چالش این است که توصیف آنها توسط spectroscopic یا الکتروشیمیایی تکنیک است."

اولین تیم اندازه گیری کاهش پتانسیل کاتالیزور (چگونه به راحتی کاتالیزور دستاوردهای یک الکترون) در حضور و عدم حضور TEOA. سپس آنها مشخص spectroscopic ارتعاشات carbonyl برای انواع مختلف کاتالیست قبل و بعد از آن را دریافت الکترون. پس از این الکتروشیمی اندازه گیری آنها انجام شده زمان-حل طیف سنجی مادون قرمز آزمایش بر روی nanosecond دستخطی برای نظارت بر کاتالیزوری ميانجی در یک شرکت₂ اتمسفر است.

"این carbonyl که موظف است به ruthenium ما را قادر به بررسی هر یک گذرا متوسط شکل کاتالیزور" توضیح Sampaio. "این carbonyl بسیار حساس مادون قرمز spectroscopic خبرنگار باقی می ماند که محدود به ruthenium در سراسر کاتالیزوری چرخه بر خلاف دیگر قطعات از کاتالیزور. آن فرکانس ارتعاشی و یا اتمی حرکت به طور چشمگیری تغییر به عنوان کاتالیزور می پذیرد یک الکترون و یا دیگر دستخوش تغییرات ساختاری. ما می توانیم تشخیص این تغییرات را مشاهده و آنها را در کنار الکتروشیمی اندازه گیری به بگویید که گونه های در حال حاضر است."

در مطالعات آینده تیم خواهد کاوش جایگزین TEOA که حداکثر رساندن قربانی توانایی BIH, در حالی که ارائه مزایای مشابه در افزایش کاتالیزوری چرخه.

"حتی اگر ما مطالعه متمرکز در یک کلاس خاص از کاتالیزور ما قویا بر این باورند که یافته های ما هستند به طور گسترده قابل اجرا در سراسر سیستم های دیگر و باید در نظر گرفته شود در هنگام بررسی کاتالیزوری کاهش CO₂ به فرمات" گفت: Fujita.

آزمایشگاه ملی بروکهیون پشتیبانی توسط دپارتمان انرژی ایالات متحده را از علم است. از علم است بزرگترین حامی تحقیقات پایه در علوم فیزیکی در ایالات متحده است و کار به آدرس برخی از مبرم ترین چالش های زمان ما. برای اطلاعات بیشتر https://energy.gov/science.

Follow @BrookhavenLab در توییتر و یا find us on Facebook.