Нове дослідження вчених з Єльського університету та Університету Міссурі показує, що каталізатори, виготовлені з марганцю, можуть ефективно перетворювати вуглекислий газ на форміат. Марганець широко доступний і недорогий, що робить його привабливою альтернативою дорогим металам. Форміат вважається перспективним матеріалом для зберігання водню, що може допомогти живити наступне покоління паливних елементів.
Дослідження було опубліковано в журналі Chem. Провідними авторами є постдокторант Єльського університету Джастін Ведал та аспірант-дослідник Університету Міссурі Кайлер Віртю. Серед старших авторів – професор Єльського університету Нілай Хазарі та професор Університету Міссурі Веслі Бернскеттер.
Чому водневі паливні елементи важливі
Водневі паливні елементи працюють, перетворюючи хімічну енергію водню на електрику, подібно до того, як працює акумулятор. Хоча ця технологія є перспективною для чистої енергії, її широкомасштабне впровадження обмежене складністю та вартістю ефективного виробництва та зберігання водню.
«Використання вуглекислого газу зараз є пріоритетом, оскільки ми шукаємо відновлювану хімічну сировину для заміни сировини, отриманої з викопного палива», — сказав Хазарі, професор хімії імені Джона Рендольфа Хаффмана та завідувач кафедри хімії на факультеті мистецтв і наук Єльського університету (FAS).
Форміат як носій водню
Мурашина кислота, протонована форма форміату, вже виробляється в промислових масштабах. Вона зазвичай використовується як консервант, антибактеріальний засіб та у виробництві шкіри. Багато вчених також розглядають її як практичне джерело водню для паливних елементів, за умови, що його можна виробляти сталим та ефективним способом.
Сьогодні більшість промислового виробництва форміату залежить від викопного палива, що обмежує його довгострокові екологічні переваги. Дослідники кажуть, що чистішою альтернативою було б виробництво форміату безпосередньо з вуглекислого газу в повітрі. Такий підхід дозволить як знизити рівень парникових газів, так і створити корисний хімічний продукт.
Виклик каталізатора
Перетворення вуглекислого газу на форміат вимагає каталізатора, і це було основною перешкодою. Багато з найефективніших каталізаторів, розроблених досі, залежать від дорогоцінних металів, які є дорогими, дефіцитними та часто токсичними. Більш поширені метали, як правило, швидко розкладаються, що знижує їхню здатність стимулювати хімічну реакцію.
Як марганець перевершив очікування
Дослідницька група розробила нову стратегію для подолання цієї проблеми. Переробивши структуру каталізатора, вони значно подовжили термін служби каталізаторів на основі марганцю. В результаті ці каталізатори показали кращі результати, ніж більшість альтернатив на основі дорогоцінних металів.
За словами дослідників, ключове покращення відбулося завдяки додаванню додаткового атома-донора до конструкції ліганду (ліганди – це атоми або молекули, які зв’язуються з атомом металу та впливають на реакційну здатність). Ця зміна допомогла стабілізувати каталізатор і зберегти його ефективність.
«Я радий бачити, що дизайн ліганду окупився таким значущим чином», — сказав Ведал.
Ширші наслідки для чистої хімії
Команда вважає, що цей підхід можна застосовувати не лише для перетворення вуглекислого газу. Подібні принципи проектування можуть покращити каталізатори, що використовуються в інших хімічних реакціях, потенційно розширюючи вплив роботи.
Дослідники з Єльського університету Брендон Меркадо та Ніколь Пайкут також зробили свій внесок у дослідження. Фінансування дослідження було надано Управлінням науки Міністерства енергетики США.
