Ученые из Йельского университета и Университета Миссури разработали новый катализатор на основе марганца, способный эффективно преобразовывать углекислый газ в формиат. Марганец – широко распространенный и недорогой металл, что делает его привлекательной альтернативой дорогостоящим благородным металлам. Формиат, в свою очередь, считается перспективным материалом для хранения водорода – ключевого элемента для топливных элементов следующего поколения.
Водородные топливные элементы превращают химическую энергию водорода в электричество, работая по принципу, схожему с батареей. Несмотря на огромный потенциал этой технологии для чистой энергетики, ее массовое внедрение ограничено сложностью и высокой стоимостью производства и хранения водорода. Новое исследование, опубликованное в журнале Chem, предлагает элегантное решение этой проблемы.
Формиат, а точнее его протонированная форма – муравьиная кислота, уже производится в промышленных масштабах и используется как консервант, антибактериальное средство и в кожевенном деле. Многие ученые видят в ней практичный источник водорода для топливных ячеек, но при одном условии – ее производство должно быть экологически чистым и эффективным. Сегодня большая часть промышленного производства формиата зависит от ископаемого топлива, что сводит на нет его экологические преимущества. Альтернатива – получать формиат напрямую из углекислого газа, что позволило бы одновременно снизить уровень парниковых газов в атмосфере и создать полезный химический продукт.
Главным препятствием на этом пути была потребность в катализаторе – веществе, ускоряющем химическую реакцию. Большинство эффективных катализаторов, разработанных до сих пор, основаны на драгоценных металлах, которые дороги, редки и часто токсичны. Катализаторы из более доступных металлов, как правило, быстро разрушались, теряя свою эффективность. Исследовательская группа нашла способ обойти эту проблему, кардинально переработав структуру катализатора на основе марганца.
Ключевым усовершенствованием стало добавление дополнительного «донорного атома» в конструкцию лиганда – молекулы, которая связывается с атомом металла и влияет на его реакционную способность. Это изменение помогло стабилизировать катализатор и значительно продлить срок его службы. В результате новый катализатор на основе марганца показал производительность, превосходящую многие аналоги из благородных металлов. «Утилизация углекислого газа является приоритетной задачей, – отмечает старший автор исследования, профессор химии Йельского университета Нилай Хазари, – поскольку мы ищем возобновляемое химическое сырье для замены того, что получают из ископаемого топлива».
Команда считает, что предложенный ими подход может быть применен не только для преобразования CO2. Подобные принципы конструирования могут улучшить катализаторы, используемые и в других химических реакциях, что потенциально расширяет значимость этой работы для развития «зеленой химии».
