CO2를 녹색 연료로 전환하는 인공 생체 모방 촉매

초록

연구원들은 CO₂를 줄이기 위해 값싸고 지구에 풍부한 원소를 이상적으로 기반으로 하여 활성, 선택성 및 안정성이 더 높은 촉매 시스템을 설계하는 데 전념합니다. 가시광선에 의해 구동되는 온화한 조건에서 부가 가치 탄화수소 연료에. 이것은 그것에 대한 깊은 영감을 줄 수 있습니다. 설계된 이중 기능 분자 철 촉매는 CO₂로부터의 2전자 환원을 촉매할 수 있을 뿐만 아니라 CO로 변환하지만 CO를 CH₄로 추가 변환 82%의 높은 선택성으로 며칠 동안 안정적입니다.

배경

사회 발전과 에너지 위기로 인해 화학 연료에 대한 수요가 증가했습니다. 또한 CO₂의 농도 증가 화석 연료의 과도한 연소, 배기 가스 배출 및 호흡과 같은 인간 활동으로 인한 대기 중 지구 온난화, 사막화, 해수면 상승 등 일련의 끔찍한 영향을 미쳤습니다. 에너지 위기 및 온실 효과 완화에 있어 가장 큰 혁신 중 하나는 온실 가스 CO₂를 전환하는 것이었습니다. CH₄와 같은 연료 화학 원료 화합물로 , CO 및 가시광선이 있는 기타 작은 분자(과학 용어로는 광환원이라고 함) [1]. 광환원의 가장 두드러진 장점은 인가전압이나 고온의 열환원에 의해 활성화되는 전기환원에 비해 가시광선으로 구동할 수 있다는 점이다. 또한 태양광의 약 절반이 가시 범위에 있습니다. 그러나 다중 반응 경로 및 다양한 제품으로 인해 낮은 생산 속도 및 선택성으로 인해 CO₂의 대규모 실제 적용이 심각하게 제한됩니다. 감소.

CO₂ 촉매 환원의 과제 귀금속이 아닌 값싸고 풍부한 지구 원소를 이상적으로 기반으로 하는 부가가치 연료에는 효율성, 안정성 및 선택성이 있습니다[2]. 지금까지 이러한 문제를 해결하는 주요 방법은 세 가지 범주로 분류되었습니다. 장기 안정성을 향상시키기 위한 유기 거대고리 구조의 형성[4]; 원하는 생성물 선택성을 강화하기 위한 리간드 변형[5]. 각 접근 방식에서 선택된 금속 요소와 구조적 디자인은 모두 최종 촉매 성능과 제품 선택성에 기여합니다.

유기 거대고리 구조(OMS) 연쇄 전이 금속 원소는 CO₂에 사용되는 매우 인기 있는 촉매입니다. 환원, 금속 원소가 CO₂를 흡착하고 결합하는 촉매 활성 부위로 작용 분자 [6]. 미세다공성 OMS는 더 큰 비표면적, 즉 촉매 반응을 지원하기 위해 더 많은 활성 부위를 제공할 수 있습니다. 그럼에도 불구하고 원래 OMS는 최적화된 촉매 성능을 가지고 있지 않을 수 있습니다. 리간드 변형과 같은 구조 최적화는 원하는 생성물을 얻기 위해 특정 중간체를 안정화할 수 있는 H 결합과 같은 내부 상호작용을 유도함으로써 촉매 활성, 특히 생성물 선택성을 향상시킬 것입니다.

실험

식물의 광합성에서 영감을 받은 Rao et al. [7] CH₄를 기적적으로 생성한 분자 철 촉매를 기반으로 한 생체모방 광촉매 시스템을 창의적으로 설계했습니다. CO₂에서 주위 온도 및 압력에서. 그러한 개척자이자 중요한 발견은 Nature에 게재되었습니다.

Rao와 동료들은 CO₂를 환원시키는 촉매로서 trimethylammonio 그룹(리간드 변형)으로 기능화된 철(전이 금속 원소) 테트라페닐포르피린(유기 거대고리 구조) 착물을 신중하게 설계했습니다. . 이 촉매 시스템은 CO₂에서 작동되었습니다. -포화 아세토니트릴(CH₃ CN) 빛 조사에서 광자를 포착하고 산화환원 반응을 위한 에너지(hυ)를 제공하는 것을 목표로 하는 가시광선 감광제와 CO를 감소시키기 위해 감광제에 의한 광유도 명령에 전자를 제공하는 데 사용되는 희생 전자 공여체를 포함하는 용액 2 . 전체 시스템은 가시광선(λ> 420 nm) 1기압 및 실온에서.

토론

또한, Rao et al. 촉매가 CO2를 감소시키는 가장 효율적이고 선택적인 분자 전기 촉매로 알려진 상기 촉매 시스템을 처음 보고했습니다. 2전자 공정에서 CO로, CO₂에서 8전자 환원[8]에도 적용될 수 있습니다. 채널₄로 . 그들은 적당한 조건에서 이 분자 철 촉매의 완전히 새로운 기능을 발견했습니다. 한편 저자들은 먼저 CO₂를 감소시키는 2단계 절차의 반응 메커니즘을 분석하고 검증했습니다. CO로 변환한 다음 CO를 CH₄로 변환 CH₄의 82% 동위원소 표지 실험과 공실험을 통한 최초의 선택성. 게다가, 그들은 또한 메타산 조건이 안정화된 중간체에 대한 H 결합 공여자 뿐만 아니라 양성자 공여체의 역할을 할 수 있지만 원하지 않는 부산물 수소 선택성이 증가할 수도 있음을 발견했습니다.

온실 가스 CO₂ 분자는 촉매 표면 또는 더 정확하게는 금속 Fe 활성 부위에 흡착되어 선형 구조에서 특정 각도로 왜곡되었습니다. 따라서 CO₂ 분자가 활성화되어 [10] Fe-CO₂를 형성했습니다. 부가물. 또한, 이 부가물은 H ⁺ 와 반응하여 추가로 양성자화되었습니다. 용액으로부터 형성되고 H₂를 탈수하는 Fe-CO 부가물 형성 오 분자. 이때 수소화 반응을 통해 CO의 중간체를 얻을 수 있다. 그런 다음 CO 분자는 다음의 다단계 양성자화 및 전자 전달 과정을 통해 금속 활성 부위에 다시 결합되어 CH₄를 생성합니다. 가스는 결국 촉매 표면에서 탈착됩니다. 나중에 이 촉매는 CO₂의 다음 촉매 주기에 재사용되었습니다. 분자(그림 1).

<그림>

CO₂의 광감소 스케치 맵 채널₄로

결론

그들이 설계한 촉매 시스템은 이중 기능으로, 비교적 단순한 CO로의 2전자 환원뿐 아니라 CH₄로의 8전자 환원을 촉매합니다. 매우 쉽게 만족되는 조건에서 단 하나의 촉매만 사용합니다. 이것은 촉매가 일반적으로 특정 반응을 효율적으로 촉매할 수 있기 때문에 심오한 진전이었습니다. Rao et al.의 고무적인 발견. CO₂의 광감소에 대한 큰 관심을 불러일으켰습니다. 부가 가치 CH₄에 이 분야에서 미래의 노력에 영감을 주었습니다. 이 보고서의 단점은 저자가 아직 축소 메커니즘을 더 자세히 해독하지 못했다는 것입니다. 그렇지 않으면 메커니즘 측면에서 개선된 보다 효율적인 촉매 시스템을 개발하는 데 도움이 될 것입니다. 구조와 조건의 최적화를 통해 생산성을 향상시키면 보다 저렴한 가스연료를 생산할 수 있습니다.

Rao et al.에 의해 설계된 촉매 시스템. 여기에 설명된 것 외에 다른 유망한 특성이 있습니다. 예를 들어, 독성 가스 CO를 녹색 연료 CH₄로 변환할 수 있습니다. 빛 조사에 의해서만. 이러한 단순하지만 중요한 전환은 폐기물을 환경적이고 효율적으로 부로 바꾸는 새로운 열풍을 이끌 수 있습니다. 그들의 발견의 적용과 개발은 CO₂의 새로운 지점의 기초를 형성할 수 있습니다. 광환원 또는 독성 가스 전환.

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