Новый катализатор превращает СО2 в топливо, имитируя фотосинтез

Исследователи разработали катализатор на основе рутения, который, используя свет, запускает реакции переноса электронов и протонов. Благодаря этому углекислый газ (CO2) превращается в формиат (HCO2-). Это ценное соединение применяется в производстве топлива, лекарств и антимикробных средств.

Команда вдохновилась природным механизмом преобразования углерода — фотосинтезом. Как в их реакции, так и в фотосинтезе перенос протонов и электронов стимулируется светом. Процесс позволяет запасать солнечную энергию в химических связях, пояснили ученые.

Для повышения эффективности и стабильности реакции исследователи изменили механизм взаимодействия катализатора с углекислым газом. Обычно CO2 напрямую связывается с металлическим центром катализатора, что часто приводит к побочным реакциям и постепенному разрушению самого катализатора. Это происходит потому, что на металлическом центре остаются свободные места, куда могут присоединяться другие молекулы.

Чтобы решить эту проблему, металлический центр катализатора был окружен специальными химическими группами — лигандами. Эти лиганды действуют подобно лепесткам цветка, оберегая его сердцевину. Такая модификация позволяет точно настраивать свойства катализатора, при этом вся химическая реакция протекает на самих лигандах, а не на металле.

Благодаря этому механизму получается только формиат. Образование других продуктов вроде водорода или угарного газа, невозможно, поскольку они требуют прямого взаимодействия с металлическим центром, которого в данном случае нет. Таким образом, механизм, основанный на лигандах, предотвращает появление конкурирующих веществ.

Главное преимущество нового метода — гибкость. Поскольку химические реакции происходят на лигандах, можно менять сам металл в центре катализатора. Так, изначально учёные использовали рутений, но их подход прекрасно сработал и с железом. А железо гораздо более доступно и дешево. Это значит, что стратегия универсальна и позволяет использовать в катализаторах распространенные в природе металлы.