Användning av växthusgasen CO2 som kemisk råvara skulle inte bara minska utsläppen, utan också förbrukningen av fossila råvaror. Ett nytt metallfritt organiskt ramverk skulle kunna göra det möjligt att elektrokatalytiskt framställa eten, ett primärt kemiskt råmaterial, från CO2 .
Som ett team har rapporterat i tidskriften Angewandte Chemie International Edition , spelar kväveatomer med en speciell elektronkonfiguration en avgörande roll för katalysatorn.
Eten (eten, C2 H4 ) är ett viktigt utgångsmaterial för många produkter, inklusive polyeten och andra plaster. Eten produceras industriellt genom högenergikrackning och rektifiering av fossila råvaror.
Den elektrokemiska omvandlingen av CO2 till eten skulle vara en lovande väg för att minska CO2 utsläpp samtidigt som man sparar energi och fossila resurser.
CO2 är mycket stabil, vilket gör det svårt att framkalla reaktion. Med användning av el och katalysatorer är det för närvarande möjligt att omvandla det till C1 kemikalier som metanol och metan.
Den ytterligare utmaningen med att producera eten är att en bindning måste bildas mellan två kolatomer. Detta har tidigare endast uppnåtts med kopparkatalysatorer. Metallfri elektrokatalys skulle vara fördelaktigt eftersom metaller är en kostnadsfaktor och kan orsaka miljöproblem.
Ett team ledd av Chengtao Gong och Fu-Sheng Ke vid Wuhan University, Kina, har nu utvecklat en metallfri elektrokatalysator för omvandling av CO2 till eten. Katalysatorn är baserad på ett kväveinnehållande kovalent organiskt ramverk (COF).
COFs är en ny klass av porösa, kristallina, rent organiska material med definierad topologi. I motsats till metall-organiska ramverk (MOF) kräver de inga metalljoner för att hålla ihop dem. Deras porstorlekar och kemiska egenskaper kan justeras över ett brett spektrum genom val av byggstenar.
Den nya COF innehåller kväveatomer med en speciell elektronkonfiguration (sp 3 hybridisering) som katalytiskt aktiva centra. Dessa sp 3 kvävecentra binder de individuella byggstenarna till ett ramverk genom en aminal länk (två aminogrupper bundna till en kolatom).
Till skillnad från COF med en klassisk iminbindning (–C=N–) har aminal COF strikta krav på längder och vinklar på bindningarna mellan byggstenarna, vilket gör att ramverken bildas genom ringförslutningar.
Forskarna hittade en lämplig kombination genom att använda piperazin (en sexledad ring gjord av fyra kol- och två kväveatomer) och en byggsten gjord av tre aromatiska, sexledade kolringar. När de användes som elektroder visade deras nya COF hög selektivitet och prestanda (Faraday effektivitet upp till 19,1%) för produktion av eten.
Framgången för aminal COFs beror på den höga tätheten av aktiv sp 3 -kvävecentra, som båda mycket effektivt fångar upp CO2 och överför elektroner. Detta resulterar i en hög koncentration av exciterade mellanprodukter som kan genomgå C–C-koppling.
Däremot en mängd olika iminkopplade COF, som innehåller sp 2 kväve istället för sp 3 , testades på liknande sätt och producerade ingen etylen. Detta bevisar vikten av korrekt elektronkonfiguration för den elektrokemiska reduktionen av CO2 till eten.
Mer information: Yang Xiao et al, Linkage Engineering in Covalent Organic Frameworks for Metal-Free Electrocatalytic C2H4 Production from CO2, Angewandte Chemie International Edition (2024). DOI:10.1002/anie.202404738
Journalinformation: Angewandte Chemie International Edition
Tillhandahålls av Wiley
