Золотая лихорадка наоборот: как электронный мусор превращается учеными в катализаторы будущего

02.01.2025 23:13

Вы когда-нибудь задумывались, сколько золота скрывается в старом мобильном телефоне или вышедшем из строя ноутбуке? Оказывается, немало. И речь не только о драгоценном металле как таковом. Ученые нашли способ превращать эти залежи электронного мусора в нечто гораздо более ценное: в катализаторы для «зелёной» химии. Звучит как научная фантастика? Позвольте объяснить.

Городская добыча: не просто модный тренд

Золото — один из самых востребованных природных ресурсов, от ювелирных украшений до электроники. Но добыча золота традиционным способом, из рудников, сопряжена с огромным вредом для окружающей среды. Именно поэтому в последние годы всё большую популярность набирает «городская добыча» — переработка электронных отходов. Около 25% мирового золота уже получают таким путём. Это и экологичнее, и экономически выгодно.

Иллюстрация

Автор: ИИ Copilot Designer//DALL·E 3 Источник: www.bing.com

Проблема в том, что извлечение золота из электронного мусора — сложный процесс, требующий использования химических веществ, которые сами по себе не очень-то и «зелёные». Но исследователи сделали большой шаг вперёд. Они разработали метод, позволяющий не просто извлекать золото, а превращать его в мощный инструмент для «чистой» химии.

Химия на молекулярном уровне: как это работает?

Учёные синтезировали два новых материала — так называемых ковалентных органических каркаса (KOK) на основе тетразина. Это, если можно так выразиться, молекулярные «губки», которые обладают способностью избирательно «всасывать» ионы золота. Названия у них довольно заковыристые: TTF-COF и TPE-COF.

TTF-COF, как оказалось, обладает особенно высокой адсорбционной способностью: он способен «захватывать» 99% золота из раствора, при этом практически не реагируя на другие металлы, такие как медь и никель, присутствующие в электронных отходах. Представляете, насколько это удобно: не нужно тратить ресурсы на разделение сложных смесей, как при традиционной переработке.

a Изотермы адсорбции Au(III) на TTF-COF показаны при различных температурах. b Селективность TTF-COF для Au(III) оценивается при различных концентрациях HCl, при начальной концентрации 100 мг L-1 и температуре 25 °C. c FE-SEM в сочетании с EDS показывает распределение металлов в плате CPU. d Карта EDS платы CPU иллюстрирует количество отдельных элементов. e Эффективность восстановления Au(III) из CPU оценивается при различных условиях pH, что дает представление о влиянии pH на эффективность процесса восстановления. Цитирование: Zadehnazari, A., Auras, F., Altaf, A.A. et al. Recycling e-waste into gold-loaded covalent organic framework catalysts for terminal alkyne carboxylation. Nat Commun 15, 10846 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-55156-3

Автор: Zadehnazari, A., Auras, F., Altaf, A.A. et al. Источник: www.nature.com

Но самое интересное начинается потом. Эти KOK, насыщенные золотом, начинают работать как катализаторы. То есть, они ускоряют химические реакции, при этом сами в них не участвуя. А что катализируют? Карбоксилирование терминальных алкинов, если говорить научным языком. А по-простому — они превращают углекислый газ в ценные химические соединения, например, пропиоловые кислоты. И это не просто замена вредного процесса, а еще и способ утилизации углекислого газа, который считается одной из основных причин изменения климата.

Повторное использование: экологичность в квадрате

Эти новые материалы-катализаторы не только эффективны, но и обладают важным качеством: их можно использовать повторно. По результатам исследований, они выдерживают по меньшей мере шесть циклов «захват золота — катализ» без потери активности. Это делает процесс ещё более экономичным и экологичным, потому что уменьшается объём отходов и потребность в синтезе новых материалов.

a XPS-спектры TTF-COF после адсорбции [AuCl4]-1. Спектры XPS высокого разрешения (b) Au 4 f и (c) S 2p фокусируются на детальных химических сдвигах и состояниях связывания после адсорбции [AuCl4]-1. d HRTEM-изображение показывает TTF-COF после адсорбции [AuCl4]-1, подтверждая равномерное распределение наночастиц золота и указывая на успешное восстановление [AuCl4]-1 до металлической формы. e FE-SEM увеличивает масштаб отдельной частицы Au, показывая вдавленную поверхность. f Диаграмма рассеяния анализа нековалентных взаимодействий (NCI), представляющая знак(λ2)ρ для визуализации межмолекулярных взаимодействий. g Изоповерхности NCI (изовалюта = 0,5) демонстрируют нековалентные взаимодействия в диапазоне — 0,05 < знак(λ2)ρ < 0,05 a. u. для TTF-COF. h HOMO-диаграмма TTF-COF, на вставке подчеркнуто направление потока зарядов между фрагментами и выделены значительные вклады σ-донирования и π-бекдонирования в связь, ответственную за адсорбцию [AuCl4]-1. Учитывая природу мягкого катиона Au(III), ожидается сильное связывание с серой, преобладающим мягким донором. Цитирование: Zadehnazari, A., Auras, F., Altaf, A.A. et al. Recycling e-waste into gold-loaded covalent organic framework catalysts for terminal alkyne carboxylation. Nat Commun 15, 10846 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-55156-3

Автор: Zadehnazari, A., Auras, F., Altaf, A.A. et al. Источник: www.nature.com

Больше, чем просто переработка

Разработка новых ковалентных органических каркасов с их уникальными свойствами открывает путь к созданию «зеленых» катализаторов нового поколения. Это не просто решение проблемы электронного мусора, но и вклад в развитие устойчивой химии, которая поможет нам сократить вредное воздействие промышленности на окружающую среду. Возможно, именно так, шаг за шагом, мы сможем превратить отходы в ценные ресурсы и построить более экологичное будущее.