Иллюстрация широкого спектра электрокаталитических и фотокаталитических процессов и применений для порфириновых каркасных материалов. Источник: Nano Research Energy, Издательство Университета Цинхуа.
Некоторые из секторов экономики, которые труднее всего обезуглероживать, выиграют от появления существенно более эффективных катализаторов, участвующих в химических реакциях преобразования энергии. Прорыв здесь может зависеть от использования пигментов, широко используемых в биологических процессах, интегрированных в качестве катализатора в новые и высокопористые молекулярные структуры, которые действуют как губки.
Статья, описывающая состояние дел в этой области и проблемы, с которыми она сталкивается, была опубликована в журнале Nano Research Energy 29 мая.
В последние годы порфирины и металлопорфирины играют все более важную роль в биомиметической химии, использовании солнечной энергии, медицине и во многих других областях применения. Но было обнаружено, что использование порфиринов в реакциях электрокатализа и фотокатализа, играющих центральную роль во многих процессах преобразования энергии, полезных для чистого перехода, является нестабильным, дезактивируемым и трудно перерабатываемым, что ограничивает дальнейшее развитие этих технологий преобразования энергии.
Поэтому ученые начали рассматривать возможность интеграции порфиринов в качестве органических лигандов (ионов, которые связываются с центральным атомом металла в сложной молекуле) в синтетические молекулярные структуры, известные как металлорганические каркасы (MOF) и их двойные ковалентно-органические каркасы (COF), известные как каркас на основе порфирина. материалы.
«В принципе, это должно обеспечить отличные характеристики электрокатализа и фотокатализа, поскольку структуры MOF и COF просты в синтезе и хорошо спроектированы, что делает их гораздо более управляемыми и структурно стабильными», — сказал Юсуке Ямаути, соавтор статьи и исследователь из Австралийского института биоинженерии и нанотехнологий при Университете Квинсленда..
«Исследователи, которые сами занимаются разработкой каркасных материалов на основе порфирина, подготовили обзорную статью, описывающую состояние дел в их области. Такие обзорные документы необходимы для продвижения молодых областей, поскольку они проясняют текущее понимание, обсуждают достижения и проблемы, выявляют пробелы в исследованиях и могут даже предлагать руководящие принципы политики и советы по передовой практике», — Хуан Панг, соавтор статьи и исследователь из Школы химии и химической инженерии в Университет Янчжоу, Китай
В статье исследуются все текущие и потенциальные области применения катализаторов на основе каркасных материалов на основе порфирина и делается вывод о том, что потенциал остается большим, но эта область сталкивается с рядом проблем.
В экономике с нулевыми выбросами парниковых газов не все может быть электрифицировано — особенно дальнемагистральный тяжелый транспорт — и поэтому потребуется какая-то форма чистого топлива, такого как нейтральные к углероду синтетические углеводороды, аммиак или водород. Все эти виды топлива предполагают преобразование чистой энергии — будь то от солнца, ветра, воды или урана — в транспортируемую и стабильную химическую энергию. Часть этого процесса требует получения чистого водорода за счет использования электричества, света или тепла для расщепления воды на составляющие ее элементы, водород и кислород.
Углеводороды состоят из различных соотношений углерода и водорода, отсюда и название. Таким образом, чистые синтетические версии, заменяющие своих грязных ископаемых собратьев, потребуют удаления углекислого газа из атмосферы и преобразования его в различные пригодные для использования формы углерода в качестве сырья для соединения с чистым водородом. Поглощение атмосферного углерода и его использование также известно как улавливание и утилизация углерода (CCU).
Все эти процессы и многие другие, связанные с переходом на экологически чистые технологии (переход от ископаемого топлива к экологически чистым технологиям), такие как использование топливных элементов и сбор света, по сути, являются химическими реакциями, которые преобразуют энергию из одной формы в другую, более полезную форму. Эти химические реакции требуют добавления веществ, известных как катализаторы, которые ускоряют реакцию. Некоторые из этих катализаторов чрезвычайно дороги, такие как платина, или недостаточно эффективны, чтобы конечный продукт мог конкурировать с ископаемым топливом, или создают свои собственные экологические проблемы.
Таким образом, ведется поиск более эффективных, дешевых и чистых катализаторов, таких как порфирин.
Разработка эффективных катализаторов каркасных материалов на основе недрагоценных порфиринов для замены катализаторов из драгоценных металлов остается серьезным препятствием. Проектирование и изготовление порфириновых блоков в настоящее время в основном основывается на высокосимметричной конструкции, что ограничивает разнообразие семейств порфириновых каркасов и влияет на их потенциальное каталитическое применение. Следует рассмотреть новые структуры, в которых используются порфириновые звенья с асимметричной конструкцией, чтобы расширить полезность вещества.
Стоимость получения порфириновых каркасных материалов остается высокой, и поэтому инженерам необходимо срочно разработать новые методы синтеза, если эти катализаторы будут использоваться в крупномасштабных промышленных применениях. Сокращение количества шагов, необходимых для синтеза, является важным исследованием, но сделать это также чрезвычайно сложно.
Однако они приходят к выводу, что, если такие проблемы будут преодолены, каркасные материалы на основе порфирина могут изменить правила игры в коммерциализации процессов преобразования энергии, необходимых для некоторых секторов, которые труднее всего обезуглероживать.
Порфирины — одни из самых труднодействующих веществ в биологии. Этот класс пигментов используется в широком спектре жизненно важных процессов, от фотосинтеза до дыхания. Производные этих водорастворимых кольцеобразных молекул, которые связывают ионы металлов, включают хлорофиллы в растениях и гемоглобины, которые переносят кислород в крови животных. Они также усиливают каталитическую активность ферментов в ряде других жизненно важных химических реакций. Металлопорфирины представляют особый интерес в отношении чистого перехода из-за их роли в качестве катализаторов при расщеплении воды с образованием водорода и кислорода.
