CO2をグリーン燃料に変換する人工生体模倣触媒作用

背景

社会の発展とエネルギー危機により、化学燃料の需要が高まっています。さらに、CO ₂ の濃度の増加 化石燃料の過剰燃焼などの人間活動による大気中の排気ガスの排出と呼吸は、地球温暖化、砂漠化、海面上昇などの一連のひどい影響を及ぼしてきました。エネルギー危機と温室効果の緩和における最大の革新の1つは、温室効果ガスCO ₂ の変換でした。 CH ₄ などの燃料化学原料化合物に 、CO、および可視光を伴う他の小分子（科学用語では光還元と呼ばれます）[1]。光還元の最も顕著な利点は、印加電圧または高温での熱還元によって活性化される電気還元と比較して、可視光によって駆動できることです。さらに、太陽光の約半分が可視範囲にあります。しかし、複数の反応経路とさまざまな生成物のために低い生産速度と選択性は、CO ₂ の大規模な実用化を厳しく制限します。 削減。

CO ₂ の接触還元における課題 貴金属ではなく、安価で地球に豊富な元素を理想的にベースにした付加価値燃料には、効率、安定性、選択性があります[2]。これまでのところ、これらの課題に対処する主な方法は、次の3つのカテゴリに分類されます。Fe、Co、Niなどの活性部位として高い触媒活性を持つ遷移金属のスクリーニング[3]。長期安定性を高めるための有機大環状構造の形成[4];リガンド修飾[5]により、目的の生成物の選択性を強化します。それぞれのアプローチで、選択された金属元素と構造設計の両方が、最終的な触媒性能と製品の選択性に貢献します。

遷移金属元素を連鎖させる有機大環状構造（OMS）は、CO ₂ で使用される非常に人気のある触媒です。 金属元素がCO ₂ を吸着および結合する触媒活性部位として機能する還元。 分子[6]。ミクロポーラスOMSは、より大きな比表面積、つまり触媒反応をサポートするためのより多くの活性部位を提供できます。それにもかかわらず、元のOMSは最適化された触媒性能を備えていない可能性があります。配位子修飾などの構造最適化は、H結合のような内部相互作用を誘発することにより、触媒活性、特に生成物の選択性を向上させます。これにより、特定の中間体を安定化させ、目的の生成物を得ることができます。

実験的

植物の光合成から着想を得て、Rao等。 [7]奇跡的にCH ₄ を生成する分子鉄触媒に基づいて、生体模倣光触媒システムを創造的に設計しました。 CO ₂ から 周囲温度と圧力で。そのようなフロンティアで重要な発見がNatureに掲載されました。

Raoらは、CO ₂ を還元する触媒として、トリメチルアンモニオ基（配位子修飾）で官能化された鉄（遷移金属元素）テトラフェニルポルフィリン（有機大環状構造）複合体を慎重に設計しました。 。この触媒システムはCO ₂ で操作されました -飽和アセトニトリル（CH ₃ CN）光照射から光子を捕捉し、レドックス反応にエネルギー（hυ）を与えることを目的とした可視光光増感剤を含む溶液と、光増感剤による光誘起コマンドで電子を提供してCOを低減するために使用される犠牲電子供与体 ₂ 。システム全体は非常に安定しており、可視光（λ> 420 nm）、1気圧および室温で。

ディスカッション

さらに、Rao etal。 CO ₂ を還元するための最も効率的で選択的な分子電気触媒として触媒が知られている上記の触媒システムを最初に報告しました 2電子プロセスでCOに変換され、CO ₂ からの8電子還元[8]にも適用できます。 CH ₄ へ 。彼らは、適度な条件下でこの分子鉄触媒のまったく新しい機能を発見しました。一方、著者らは、最初にCO ₂ を削減した2段階手順の反応メカニズムを分析および検証しました。 COに変換してから、COをCH ₄ に変換します CH ₄ の82％ 初めての同位体標識実験とブランク実験による選択性。さらに、彼らはまた、メタ酸条件が安定化された中間体に対してプロトン供与体および水素結合供与体の役割を果たす可能性があることを発見しました[7、9]が、望ましくない副産物の水素選択性も増加します。

温室効果ガスCO ₂ 分子は触媒の表面、より正確には金属のFe活性部位に吸着され、線形構造から特定の角度に歪んでいました。したがって、CO ₂ 分子は活性化され[10]、Fe–CO ₂ を形成しました 付加物。さらに、この付加物はさらにプロトン化され、H ⁺ と反応しました。 溶液から生成され、H ₂ を脱水するFe–CO付加物が形成されます。 O分子。 COの中間体は、この時点で水素化によって得ることができます。次に、CO分子は、その後の多段階プロトン化および電子移動プロセスによって再び金属活性部位に結合し、CH ₄ を生成しました。 ガスは最終的に触媒表面から脱着します。その後、この触媒はCO ₂ の次の触媒サイクルに再利用されました 分子（図1）。

CO ₂ からの光還元のスケッチマップ CH ₄ へ

結論

彼らが設計した触媒システムは二機能性であり、COへの比較的単純な2電子還元だけでなく、CH ₄ への8電子還元も触媒しました。 非常に簡単に満たされる条件で1つの触媒のみを利用します。触媒は一般的に特定の反応を効率的に触媒できるため、これは大きな進歩でした。ラオらの高揚する発見。 CO ₂ の光還元に大きな関心を呼んだ 付加価値のあるCH ₄ そして、この分野での将来の取り組みに影響を与えました。このレポートの欠点は、作成者がまだ削減メカニズムを詳細に解読していないことです。そうでなければ、メカニズムの側面から改善されたより効率的な触媒システムを開発するのに役立ちます。構造と条件の最適化によって生産率が向上すると、より安価なガス燃料が生産される可能性があります。

Raoらによって設計された触媒システム。ここで説明するこれら以外にも、他の有望な特性があります。たとえば、有毒ガスCOをグリーン燃料CH ₄ に変換できます。 光を照射するだけです。このような単純だが重要な転換は、廃棄物を環境的かつ効率的に富に変える新しい流行を導くかもしれません。それらの発見の適用と開発は、CO ₂ の新しいブランチの基礎を形成する可能性があります 光還元または有毒ガス変換。