OIST-forskare utvecklade enkla katalysatorer baserade på jordrik mangan för att använda koldioxid för energilagring eller förvandla den till användbara kemikalier för industrin.

Koldioxid (CO2) är känd som en växthusgas och spelar en viktig roll i klimatförändringen; det är inte konstigt att forskare har letat efter lösningar för att förhindra utsläpp i miljön. Dock, som en billig, lättillgänglig och giftfri kolkälla, under de senaste åren har det gjorts ansträngningar för att förvandla koldioxid till värdefulla varor, eller "förädlade" produkter.

Till exempel, koldioxid möjliggör energilagring genom att reagera med vätgas – kallad hydreringsprocessen – omvandla blandningen till högre energivätskeföreningar som metanol som lätt kan transporteras och användas som bränsle för bilar. Liknande, koldioxidhydrering i närvaro av andra kemikalier kan leda till bildandet av olika förädlade produkter som ofta används inom industrin, såsom myrsyra, formamider, eller formaldehyd. Dessa kemikalier kan också potentiellt användas för energilagring som, till exempel, upphettning av myrsyra under vissa förhållanden möjliggör frigöring av vätgas på ett kontrollerat och reversibelt sätt.

Omvandling av koldioxid till användbara produkter kompliceras av det faktum att CO2 är den mest oxiderade formen av kol och som sådan en mycket stabil och oreaktiv molekyl. Därför, den direkta reaktionen av CO2 med väte kräver hög energi, gör processen ekonomiskt ogynnsam. Detta problem kan lösas med hjälp av katalysatorer, som är föreningar som används i små mängder för att påskynda kemikaliereaktioner. För CO2-hydreringsändamål, de flesta kända katalysatorer är baserade på ädelmetaller som iridium, rodium eller rutenium. Även om utmärkta katalysatorer, bristen på dessa ädla metaller gör det svårt att använda dem i industriell skala. De är också svåra att återvinna och potentiellt giftiga för miljön. Andra katalysatorer använder billigare metaller som järn eller kobolt men kräver en fosforbaserad molekyl - kallad fosfin - som omger metallen. Fosfiner är inte alltid stabila runt syre och brinner ibland våldsamt i en luftatmosfär, vilket ger ett annat problem för de praktiska tillämpningarna.

För att övervinna dessa problem, OIST Coordination Chemistry and Catalysis Unit ledd av prof. Julia Khusnutdinova rapporterade i ACS-katalys nya och effektiva katalysatorer baserade på en billig och riklig metall:mangan. Mangan är den tredje vanligaste metallen i jordskorpan efter titan och järn, och uppvisar mycket lägre toxicitet jämfört med många andra metaller som används vid CO2-hydrering.

Forskarna sökte ursprungligen inspiration inom den naturliga världen:hydrering är en reaktion som sker i många organismer som inte skulle ha tillgång till ädelmetaller eller fosfiner. De observerade strukturen hos specifika enzymer – hydrogenaser – för att förstå hur de kunde åstadkomma hydrogenering med enkla, Jordnära material. För att underlätta hydreringen, enzymer använder ett "smart" arrangemang där det omgivande organiska ramverket samarbetar med en metallatom – som järn – som effektivt sätter igång reaktionen.

"Efter att ha tittat på hydrogenaser, vi ville kolla om vi kunde göra konstgjorda molekyler som efterliknar dessa enzymer med samma typ av vanliga material, som järn och mangan, " förklarade Dr Abhishek Dubey, den första författaren till denna studie.

Den största utmaningen med denna studie var att bygga en adekvat ram – en så kallad ligand – runt manganet för att inducera hydreringen. Forskarna kom på en förvånansvärt enkel ligandstruktur som liknar naturliga hydrogenasenzymer med en twist från typiska fosfinkatalysatorer.

"I de flesta fallen, ligander stödjer metallen utan att direkt delta i en kemisk bindningsaktivering. I vårat fall, vi tror att liganden deltar direkt i reaktionen, " sa Dr Dubey.

I liganddesign, strukturen av en ligand är tätt kopplad till dess effektivitet. Den nya katalysatorn – liganden och manganet tillsammans – kan prestera mer än 6, 000 omsättningar i en hydreringsreaktion, konverterar mer än 6, 000 gånger CO2-molekyler innan de sönderfaller. Och denna nya ligand, resultatet av ett samarbete med ett internationellt team inklusive Prof. Carlo Nervi och Mr. Luca Nencini från University of Turin i Italien och Dr. Robert Fayzullin från Ryssland, är enkel att tillverka och stabil i luften.

Tills vidare, katalysatorn kan omvandla koldioxid till myrsyra, ett allmänt använt livsmedelskonserveringsmedel och garvningsmedel, och formamid, som har industriella tillämpningar. Men mångsidigheten hos denna katalysator öppnar många andra möjligheter.

"Vårt nästa mål är att använda sådana strukturellt enkla, billiga mangankatalysatorer för att inrikta sig på andra typer av reaktioner där CO2 och väte kan omvandlas till användbara organiska kemikalier", avslutade prof. Khusnutdinova.