Katalisis Biomimetik Buatan yang Mengubah CO2 menjadi Bahan Bakar Hijau

Abstrak

Para peneliti mengabdikan diri untuk merancang sistem katalitik dengan aktivitas, selektivitas, dan stabilitas yang lebih tinggi, idealnya berdasarkan elemen yang murah dan berlimpah di bumi untuk mengurangi CO₂ untuk bahan bakar hidrokarbon nilai tambah dalam kondisi ringan didorong oleh cahaya tampak. Ini mungkin menawarkan inspirasi mendalam tentang itu. Katalis besi molekuler bi-fungsional yang dirancang tidak hanya dapat mengkatalisis reduksi dua elektron dari CO₂ menjadi CO tetapi juga mengubah CO menjadi CH₄ dengan selektivitas tinggi 82% secara stabil selama beberapa hari.

Latar Belakang

Perkembangan sosial dan krisis energi telah meningkatkan permintaan bahan bakar kimia. Selanjutnya, peningkatan konsentrasi CO₂ di atmosfer karena aktivitas manusia seperti pembakaran bahan bakar fosil yang berlebihan, emisi gas buang dan respirasi telah memiliki serangkaian dampak yang mengerikan termasuk pemanasan global, penggurunan, dan kenaikan permukaan laut. Salah satu inovasi terbesar dalam mitigasi krisis energi dan efek rumah kaca adalah mengubah gas rumah kaca CO₂ menjadi senyawa bahan baku kimia bahan bakar seperti CH₄ , CO, dan molekul kecil lainnya dengan cahaya tampak (disebut fotoreduksi, dalam jargon ilmiah) [1]. Keunggulan fotoreduksi yang paling luar biasa adalah dapat digerakkan oleh cahaya tampak dibandingkan dengan elektroreduksi yang diaktifkan oleh tegangan yang diterapkan atau reduksi termal dengan suhu tinggi. Selain itu, sekitar setengah dari cahaya matahari terletak di kisaran yang terlihat. Namun, tingkat produksi dan selektivitas yang rendah karena beberapa jalur reaksi dan berbagai produk sangat membatasi aplikasi praktis CO₂ dalam skala besar. pengurangan.

Tantangan dalam pengurangan katalitik CO₂ bahan bakar bernilai tambah yang idealnya didasarkan pada elemen murah dan melimpah di bumi daripada pada logam mulia adalah efisiensi, stabilitas, dan selektivitas [2]. Sejauh ini, metode utama mengatasi tantangan ini telah jatuh ke dalam tiga kategori:penyaringan logam transisi [3] dengan aktivitas katalitik tinggi sebagai situs aktif seperti Fe, Co, dan Ni; pembentukan struktur makrosiklik organik untuk meningkatkan stabilitas jangka panjang [4]; dan modifikasi ligan [5] untuk memperkuat selektivitas produk yang diinginkan. Dalam setiap pendekatan, elemen logam yang dipilih dan desain struktural keduanya berkontribusi pada kinerja katalitik akhir dan selektivitas produk.

Struktur makrosiklik organik (OMS) rantai elemen logam transisi adalah katalis yang sangat populer digunakan dalam CO₂ reduksi, dimana unsur logam bertindak sebagai situs aktif katalitik untuk mengadsorbsi dan mengikat CO₂ molekul [6]. OMS mikro dapat menawarkan luas permukaan spesifik yang lebih besar, yaitu situs yang lebih aktif untuk mendukung reaksi katalitik. Namun demikian, OMS asli mungkin tidak memiliki kinerja katalitik yang dioptimalkan. Optimalisasi struktur seperti modifikasi ligan akan meningkatkan aktivitas katalitik terutama selektivitas produk dengan menginduksi interaksi internal seperti ikatan H yang dapat menstabilkan zat antara tertentu untuk mendapatkan produk yang diinginkan.

Eksperimental

Terinspirasi dari fotosintesis tanaman, Rao et al. [7] secara kreatif merancang sistem fotokatalitik biomimetik berdasarkan katalis besi molekuler yang secara ajaib menghasilkan CH₄ dari CO₂ pada suhu dan tekanan lingkungan. Perbatasan dan penemuan signifikan seperti itu dipublikasikan di Nature.

Rao dan rekan kerjanya merancang kompleks besi (elemen logam transisi) tetrafenilporfirin (struktur makrosiklik organik) yang difungsikan dengan gugus trimetilammonio (modifikasi ligan) sebagai katalis untuk mereduksi CO₂ . Sistem katalitik ini dioperasikan dalam CO₂ -asetonitril jenuh (CH₃ Larutan CN) yang mengandung fotosensitizer cahaya tampak bertujuan untuk menangkap foton dari penyinaran cahaya dan menghasilkan energi (hυ) untuk reaksi redoks serta donor elektron korban yang digunakan untuk menyediakan elektron pada perintah foto-induksi oleh fotosensitizer untuk mereduksi CO₂ . Seluruh sistem secara signifikan stabil dan digerakkan oleh cahaya tampak (λ> 420 nm) pada 1 atm dan suhu ruangan.

Diskusi

Selanjutnya, Rao et al. pertama kali melaporkan bahwa sistem katalitik di atas yang katalisnya dikenal sebagai elektrokatalis molekuler yang paling efisien dan selektif untuk mereduksi CO₂ menjadi CO dalam proses dua elektron, dapat juga diterapkan untuk reduksi delapan elektron [8] dari CO₂ ke CH₄ . Mereka menemukan fungsi yang sama sekali baru dari katalis besi molekuler ini dalam kondisi sedang. Sementara itu penulis menganalisis dan memverifikasi mekanisme reaksi dari prosedur dua langkah yang pertama mengurangi CO₂ menjadi CO dan kemudian mengubah CO menjadi CH₄ dengan 82% dari CH₄ selektivitas dengan eksperimen pelabelan isotop dan eksperimen kosong untuk pertama kalinya. Selain itu, mereka juga menemukan bahwa kondisi meta-asam dapat memainkan peran donor proton serta donor ikatan H menuju zat antara yang distabilkan [7, 9] tetapi selektivitas hidrogen produk sampingan yang tidak diinginkan juga akan meningkat.

Gas rumah kaca CO₂ molekul teradsorpsi pada permukaan katalis atau lebih tepatnya pada situs aktif logam Fe dan terdistorsi dari struktur linier ke sudut tertentu; jadi CO₂ molekul teraktivasi [10] dan membentuk Fe–CO₂ menambahkan. Selain itu, adukan ini selanjutnya terprotonasi dengan bereaksi dengan H⁺ dari larutan dan membentuk Fe–CO adduksi dehidrasi H₂ Wahai molekul. Intermediet CO dapat diperoleh melalui hidrogenasi saat ini. Kemudian, molekul CO diikat ke situs aktif logam lagi melalui proses protonasi dan transfer elektron bertingkat dan dilanjutkan untuk menghasilkan CH₄ gas akhirnya terdesorbsi dari permukaan katalis. Kemudian, katalis ini digunakan kembali untuk siklus katalitik CO berikutnya₂ molekul (Gbr. 1).

Peta sketsa fotoreduksi dari CO₂ ke CH₄

Kesimpulan

Sistem katalitik yang mereka rancang adalah dua fungsi, untuk mengkatalisis tidak hanya reduksi dua elektron yang relatif sederhana menjadi CO tetapi juga reduksi delapan elektron menjadi CH₄ hanya menggunakan satu katalis pada kondisi yang sangat mudah dipenuhi. Ini adalah kemajuan besar karena katalis dapat mengkatalisis reaksi tertentu secara efisien secara umum. Penemuan yang menggembirakan dari Rao et al. membangkitkan minat besar pada fotoreduksi CO₂ untuk nilai tambah CH₄ dan telah menginspirasi upaya masa depan di bidang ini. Kelemahan dari laporan ini adalah bahwa penulis belum menguraikan mekanisme pengurangan secara lebih rinci; jika tidak, ini akan membantu mengembangkan sistem katalitik yang lebih efisien yang ditingkatkan dari aspek mekanisme. Bahan bakar gas yang lebih murah dapat diproduksi ketika tingkat produktif ditingkatkan melalui optimalisasi struktur dan kondisi.

Sistem katalitik yang dirancang oleh Rao et al. memiliki sifat menjanjikan lainnya selain yang dijelaskan di sini. Misalnya, dapat mengubah gas beracun CO menjadi bahan bakar hijau CH₄ hanya dengan penyinaran cahaya. Konversi yang sederhana namun signifikan seperti itu dapat memandu kegemaran baru untuk mengubah sampah menjadi kekayaan yang ramah lingkungan dan efisien. Penerapan dan pengembangan penemuan mereka mungkin menjadi dasar dari cabang baru CO₂ fotoreduksi atau konversi gas beracun.

Heterostruktur Hierarki Bola Berongga ZnO@TiO2 untuk Evolusi Hidrogen Fotokatalitik yang Sangat Efisien Sintesis Nanokristal ZnO dan Aplikasinya pada Sel Surya Polimer Terbalik

bahan nano