Ett team av KAUST-katalysatorforskare har visat hur en molybdenbaserad katalysator (bilden ovan) kan spela en central roll i en process som är avgörande för hållbar produktion av förnybar energi och gröna kemikalier. Kredit:KAUST; Anastasia Serin
Hållbar bränsle- och kemikalieproduktion är närmare att bli verklighet efter att KAUST-forskare analyserat en ädelmetallfri elektrokemisk hydridöverföringskatalysator och upptäckte att molybden spelade en central roll.
Platina har länge varit den föredragna katalysatorn för elektrokemisk hydridöverföring, en mångsidig kemisk process för att producera värdefulla kemikalier eller kolfria bränslen. Om denna elektrokemiska process drevs med förnybar el skulle den kunna möjliggöra ett mer hållbart samhälle. Platina är dock en sällsynt och dyr ädelmetall, vilket sätter betydande begränsningar för användningen av denna teknik.
En mycket rikligare och mindre kostsam metall, molybden, skulle potentiellt kunna ta platinas plats i processen, har Magnus Rueping och hans team visat.
Flera molybdenbaserade katalysatorer, inklusive molybdensulfid, har tidigare visat lovande för hydridöverföringselektrokatalys, men orsaken till deras höga aktivitet var oklar, och i synnerhet molybdens roll förblev ett mysterium. "Vi ville avgöra hur den här katalysatorn fungerade", säger Jeremy Bau, en forskare vid Ruepings labb.
Teamet tillämpade en teknik som kallas elektronparamagnetisk resonansspektroskopi (EPR) i ett försök att studera molybdensulfidelektrokatalysatorn i aktion i realtid. "Oväntat kunde vi fånga hela processen när den pågick", säger Bau. "Vi kunde fånga katalysatorns aktiva tillstånd:Mo3+joner direkt bundna till väte."
Upptäckten att molybdenjoner direkt deltar i hydridöverföring kan leda till förbättrade katalysatorer. "Om vi kan visa en sammanhållen teori för hur molybden är ansvarigt för hydridöverföringsaktivitet, kan vi fokusera på att förbättra molybden så att det kan vara konkurrenskraftigt med platina och även på att utveckla nya molybdenkatalysatorer som billigare ersättningar för platina", säger Bau.
En tillämpning av katalysatorn kan vara att elektrokemiskt dela vattenmolekyler för att producera vätgas som ett sätt att förvandla förnybar el till ett lagringsbart, transporterbart bränsle. Teamet visade dock också att katalysatorn hade stor potential för att stärka enzymbiokatalysatorer för produktion av gröna kemikalier.
I celler arbetar enzymer ofta med naturens energibärarmolekyl NADH för att katalysera reaktioner. NADH är emellertid oöverkomligt dyrt för industriell biokatalys. Elektrokemiskt genererad molybdenhydrid visade sig vara mycket effektiv för att regenerera NADH in situ i den biokemiska reaktionskolven.
"Vi blev förvånade över effektiviteten i processen," säger Rueping. "Biprodukter undviks och ren NADH produceras. Vår upptäckt ger upphov till möjligheten att det långvariga målet att göra kemikalier genom enzymer kan möjliggöras av elektrokemi." + Utforska vidare
