Forskare från Kyushu University har utvecklat en energibärare för väte för att ta itu med några av de största hindren på vägen mot en hållbar väteekonomi. Som förklarats i en artikel publicerad i JACS Au , kan denna nya förening effektivt "lagra elektroner" från väte i fast tillstånd för att användas i kemiska reaktioner senare.

Vätgas är en lovande källa till ren energi med många outnyttjade potentiella tillämpningar inom industrin och vardagen. Till skillnad från konventionella bränslen kan väte användas för att generera el utan att producera växthusgaser. Det kan också användas i olika kemiska reaktioner som hydrering, det vill säga som en källa till hydridjoner eller väteatomelektroner.

Men att lagra och transportera väte i antingen gasformigt eller flytande tillstånd är extremt utmanande, vilket kräver dyr utrustning och kylsystem.

Professor Seiji Ogo från Kyushu Universitys WPI-International Institute for Carbon-Neutral Energy (WPI-I ² CNER) har utvecklat innovativa lösningar på dessa problem. I sin senaste studie tog Ogo och hans kollega från Kindai University inspiration från naturen för att utveckla en iridiumbaserad förening med säregna och anmärkningsvärt användbara egenskaper.

"Vi har aktivt utforskat väteenergibärare som lätt kan syntetiseras och användas som de är. Dessa föreningar är baserade på hydrogenasenzymet som finns i naturen, som kan katalysera väte till protoner och elektroner vid rumstemperatur", förklarar Ogo. "En kärnidé i vårt tillvägagångssätt som ledde till ett genombrott var att se väte inte som en källa till negativt laddade hydridjoner eller väteatomer, utan som elektroner."

Efter att noggrant undersöka många kombinationer av metalljoner och organiska ligander, skapade forskargruppen en iridiumbaserad förening som, när den utsätts för väte, införlivar den i metallcentret efter att ha förlorat en jodidjon. På detta sätt kan den föreslagna föreningen effektivt extrahera och lagra elektroner från väte.

Dessa förändringar är lätt reversibla under rätt förhållanden, och de lagrade elektronerna kan lätt extraheras och användas i kemiska reaktioner för att syntetisera värdefulla molekyler. I den här studien fokuserade forskarna på att använda elektronerna som lagras i föreningen för att katalysera cyklopropaneringsreaktioner.

Cyklopropaner är molekyler med en treledad kolringstruktur och representerar viktiga strukturella enheter i olika farmaceutiska läkemedel och organiska föreningar. Konventionella cyklopropaner har emellertid producerat stora mängder avfallsmetaller som biprodukter. Den föreslagna väteenergibäraren kringgår denna fråga helt.

"De cyklopropaneringsreaktioner som utförs i vår studie använder väte snarare än metaller som reduktionsmedel och producerar således inget metallavfall. Detta är en stor fördel med den föreslagna föreningen jämfört med etablerade tekniker", säger Ogo.

Noterbart är att denna studie också markerar första gången som en reaktion mellan väte och alkener – kolväten som innehåller en koldubbelbindning – producerar cyklopropaner snarare än de mycket enklare alkanerna.

Efter omfattande tester fann teamet att den föreslagna energibäraren kan fånga elektroner från väte och lagra dem i över tre månader i fast tillstånd vid rumstemperatur.

I det framtida arbetet planerar Ogo och kollegor att fokusera på att utveckla en liknande energibärare med hjälp av järngruppselement, som är billigare och rikligare än iridium. Genom att främja samarbeten mellan industri och akademi kommer deras nästa ansträngningar att syfta till att utveckla skalbara lösningar för praktiska problem kring kommande väteekonomier.

"Vi tror uppriktigt att den nuvarande bedriften kommer att bidra till förverkligandet av ett koldioxidneutralt samhälle", avslutar Ogo.

Mer information: Seiji Ogo et al, Cyclopropanation Using Electrons Derived from Hydrogen:Reaction of Alkenes and Hydrogen without Hydrogenation, JACS Au (2024). DOI:10.1021/jacsau.4c00098

Tillhandahålls av Kyushu University