Naturgas består av lätta kolväten som metan och etan. Sådana gaser är mer potenta växthusgaser än CO2 , släpps ständigt ut i atmosfären från naturgaskällor, och är svårare att lagra än till exempel deras motsvarande alkoholer (metanol respektive etanol).
Även om det finns storskaliga anläggningar för omvandling av naturgas, utesluter de alltför höga kostnaderna för att bygga och driva sådana anläggningar vid mindre naturgaskällor effektiv omvandling globalt. Därför är ny kostnadseffektiv och godartad teknik för att lösa detta problem mycket eftertraktade.
Den direkta oxidationen av kolvätebeståndsdelar i naturgas med rikligt med O2 eftersom oxidationsmedlet vid nära omgivande temperaturer och tryck är därför extremt attraktivt för utvecklingen av nya gröna tekniker för kolvätevalorisering. Forskare har nu lyckats få gaserna under kontroll med en ny katalysator. Forskargruppen har publicerat sina resultat i Science .
Naturen har utvecklat enzymer som kan aktivera dioxygen för selektiva kolvätesyresättningsreaktioner. En klass av enzymer som inte innehåller hemjärn är de a-ketoglutaratberoende dioxygenaserna, såsom det välstuderade enzymet taurindioxygenas (TauD). Detta enzym använder en α-ketosyra som ett samsubstrat för att klyva syre-syrebindningen av dioxygen för att ge en reaktiv järn-oxo-art (TauD-J) som syresätter rikliga C-H-bindningar direkt för att tillhandahålla motsvarande alkoholer.
Ett internationellt team av forskare ledda av prof. Jeffrey R. Long vid UC Berkeley, och inklusive forskare från båda Mülheim Max Planck-instituten (MPI für Kohlenforschung och MPI for Chemical Energy Conversion), direktörerna Frank Neese och Serena DeBeer, samt gruppledare Eckhard Bill (död 6 oktober 2022), Daniel J. SantaLucia, Dimitrios A. Pantazis och Sergey Peredkov kunde härma TauD-funktionaliteten i ett heterogent katalysatormaterial som är väl lämpat för fasta gasreaktioner.
Detta material tillhör klassen av metall-organiska ramverk (MOF), som är kristallina porösa material som består av organiska länkar och metalljoner eller klusternoder som har stora ytareor. Strukturerna är mycket kemiskt inställbara och möjliggör därför väldefinierad anpassning av nya heterogena katalysatorer.
De nya materialen är kapabla till katalytisk kolvätesyresättning vid nära omgivningstemperaturer med användning av O2 —påminner om enzymreaktivitet. Teamet på Mülheim Chemistry Campus studerade den reaktiva intermediären som genererades från start-MOF och O2 , en högvärdig järn-oxo-art.
Materialets natur möjliggjorde platsisolering av denna reaktiva järn-oxo-art, vilket studerades med olika toppmoderna spektroskopiska tekniker, nämligen Mössbauer-spektroskopi med variabel temperatur och Fe Kβ-röntgenstrålningsspektroskopi (samlad vid PINK X-ray beamline vid BESSY II vid Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie), såväl som toppmoderna beräkningsmetoder, som bekräftade strukturella och elektroniska likheter med TauD-J, nämligen att mellanprodukten är i ett högspintillstånd.
Betecknande nog är detta det första icke-enzymatiska systemet som oxiderar lätta kolväten med dioxygen besläktad med metalloenzymreaktivitet via en fullständigt karakteriserad högspinnande järn-oxo-mellanprodukt.
Mer information: Kaipeng Hou et al, Reaktiva högspinnande järn(IV)-oxo-ställen genom dioxygenaktivering i ett metall-organiskt ramverk, Science (2023). DOI:10.1126/science.add7417
Journalinformation: Vetenskap
Tillhandahålls av Max Planck Society
