Illustration av det breda utbudet av elektrokatalytiska och fotokatalytiska processer och tillämpningar för porfyrinrammaterial. Kredit:Nano Research Energy , Tsinghua University Press
Några av de ekonomiska sektorer som är svårast att koldioxidavskilja skulle dra nytta av framväxten av betydligt effektivare katalysatorer involverade i energiomvandlingskemiska reaktioner. Ett genombrott här kan bero på användningen av pigment i stor utsträckning i biologiska processer integrerade som en katalysator i nya och mycket porösa molekylära strukturer som fungerar ungefär som svampar.
En artikel som beskriver läget på detta område och de utmaningar det står inför publicerades i tidskriften Nano Research Energy den 29 maj.
På senare år har porfyriner och metalloporfyriner spelat en allt viktigare roll i biomimetisk kemi, solenergiutnyttjande, medicin och många andra tillämpningar. Men användningen av porfyriner i elektrokatalys och fotokatalysreaktioner som är centrala för många energiomvandlingsprocesser som är användbara för den rena övergången visade sig vara instabil, deaktiverad och svår att återvinna, vilket har begränsat vidareutvecklingen av dessa energiomvandlingstekniker.
Så forskare har börjat överväga integrationen av porfyriner som de organiska liganderna (jonen som binder till en central metallatom i en komplex molekyl) i syntetiska molekylära strukturer som kallas metall-organiska ramverk (MOF) och deras dubbla, kovalenta organiska ramverk. (COF) – känd som porfyrinbaserade rammaterial.
"Detta borde i princip ge utmärkt elektrokatalys och fotokatalysprestanda eftersom MOF- och COF-strukturerna är enkla att syntetisera och högdesignade, och därmed mycket mer kontrollerbara och strukturellt stabila", säger Yusuke Yamauchi, medförfattare till artikeln och forskare med Australian Institute for Bioengineering and Nanotechnology vid University of Queensland.
"Forskarna, som själva är involverade i porfyrinbaserad rammaterialutveckling, har sammanställt en översiktsartikel som beskriver läget inom sitt område. Sådana granskningsdokument är nödvändiga för unga fält att utvecklas eftersom de klargör nuvarande förståelse, diskuterar framsteg och utmaningar. , identifiera forskningsluckor och kan till och med erbjuda riktlinjer för policy och tips om bästa praxis," Huan Pang, medförfattare till artikeln och forskare vid School of Chemistry and Chemical Engineering vid Yangzhou University, Kina
Uppsatsen utforskar alla nuvarande och potentiella tillämpningar av porfyrinbaserade ramverksmaterialkatalysatorer och finner att det finns en stor potential, men området står inför flera utmaningar.
I en ekonomi med netto-nollutsläpp av växthusgaser kan inte allt elektrifieras – särskilt långdistanstransporter – och därför kommer någon form av rena bränslen, såsom kolneutrala syntetiska kolväten, ammoniak eller väte att behövas. Alla dessa bränslen innebär omvandling av ren energi – oavsett om det kommer från solen, vind, vatten eller uran – till transportabel och stabil kemisk energi. En del av denna process kräver produktion av rent väte genom användning av elektricitet, ljus eller värme för att dela vatten i dess beståndsdelar, väte och syre.
Kolväten är sammansatta av olika förhållanden mellan kol och väte, därav namnet. Således kommer de rena, syntetiska versionerna som ersätter sina smutsiga fossila kusiner att kräva att man drar ner koldioxid från atmosfären och omvandlar den till olika användbara former av kol som en insats för att bli gift med det rena vätet. Att dra ner atmosfäriskt kol och använda det är också känt som carbon capture and utilization (CCU).
Alla dessa processer, och många andra inblandade i den rena omställningen (övergången från fossila bränslen till rena teknologier) såsom användningen av bränsleceller och ljusinsamling, är i själva verket kemiska reaktioner som omvandlar energi från en form till en annan, mer användbar form . Dessa kemiska reaktioner kräver tillsats av ämnen som kallas katalysatorer som påskyndar reaktionen. Vissa av dessa katalysatorer är extremt dyra som platina, eller är inte tillräckligt effektiva för att slutprodukten ska kunna konkurrera med fossila bränslen eller producera sina egna miljöutmaningar.
Så jakten pågår efter effektivare, billigare och renare katalysatorer som porfyrin.
Utvecklingen av effektiva icke-ädel porfyrinbaserade ramverksmaterialkatalysatorer för att ersätta ädelmetallkatalysatorer förblir ett betydande hinder. Designen och konstruktionen av porfyrinblock bygger för närvarande huvudsakligen på en mycket symmetrisk design, vilket begränsar mångfalden av porfyrinramfamiljer och påverkar deras potentiella katalytiska tillämpningar. Nya strukturer som använder porfyrinenheter med asymmetrisk design bör övervägas för att utöka substansens användbarhet.
Kostnaden för att bereda porfyrinrammaterial är fortfarande hög och därför är det angeläget att ingenjörer utvecklar nya syntesmetoder om dessa katalysatorer ska användas i storskaliga industriella tillämpningar. Att minska antalet steg som krävs i syntesen är en viktig forskning, men det är också extremt svårt att göra detta.
De drar dock slutsatsen att om sådana utmaningar skulle övervinnas, kan porfyrinbaserade rammaterial vara en spelomvandlare i kommersialiseringen av energiomvandlingsprocesser som är nödvändiga för vissa av de sektorer som är svårast att avkarbonatisera.
Porfyriner är några av biologins hårdast arbetande ämnen. Denna klass av pigment används i ett brett spektrum av vitala processer, från fotosyntes till andning. Derivat av dessa vattenlösliga, ringformade molekyler som binder metalljoner inkluderar klorofyll i växter och hemoglobiner som transporterar syre i djurens blod. De förstärker också enzymernas katalytiska aktiviteter i en rad andra livgivande kemiska reaktioner. Metalloporfyriner är av särskilt intresse med avseende på den rena övergången på grund av deras roll som katalysatorer vid vattenspjälkning för att producera väte och syre. + Utforska vidare
