Wie die am härtesten arbeitenden Pigmente und „MOFs“ der Biologie das Klima retten könnten

Einige der Wirtschaftssektoren, die am schwierigsten zu dekarbonisieren sind, würden vom Aufkommen wesentlich effizienterer Katalysatoren profitieren, die an chemischen Reaktionen zur Energieumwandlung beteiligt sind. Ein Durchbruch könnte hier von der Verwendung von Pigmenten abhängen, die in biologischen Prozessen weit verbreitet sind und als Katalysator in neuartige und hochporöse molekulare Strukturen integriert werden, die wie Schwämme wirken.

In der Zeitschrift wurde ein Artikel veröffentlicht, der den Stand der Dinge auf diesem Gebiet und die Herausforderungen, denen er gegenübersteht, beschreibt Nano-Forschungsenergie am 29. Mai.

In den letzten Jahren haben Porphyrine und Metalloporphyrine eine zunehmend wichtige Rolle in der biomimetischen Chemie, der Solarenergienutzung, der Medizin und vielen anderen Anwendungen gespielt. Die Verwendung von Porphyrinen in Elektrokatalyse- und Photokatalysereaktionen, die für viele Energieumwandlungsprozesse von zentraler Bedeutung sind, die für den sauberen Übergang nützlich sind, erwies sich jedoch als instabil, deaktiviert und schwierig zu recyceln, was die Weiterentwicklung dieser Energieumwandlungstechnologien begrenzt hat.

Daher haben Wissenschaftler begonnen, die Integration von Porphyrinen als organische Liganden (das Ion, das an ein zentrales Metallatom in einem komplexen Molekül bindet) in synthetische molekulare Strukturen, die als metallorganische Gerüste (MOFs) bekannt sind, und ihre kovalent-organischen Zwillingsgerüste in Betracht zu ziehen (COFs) – bekannt als Gerüstmaterialien auf Porphyrinbasis.

„Dies sollte im Prinzip eine hervorragende Elektrokatalyse- und Photokatalyseleistung liefern, da die MOF- und COF-Strukturen einfach zu synthetisieren und hochgradig entworfen sind, daher viel besser kontrollierbar und strukturell stabiler“, sagte Yusuke Yamauchi, Co-Autor der Veröffentlichung und Forscher mit dem Australier Institut für Bioengineering und Nanotechnologie an der University of Queensland.

„Die Forscher, die selbst an der Entwicklung porphyrinbasierter Gerüstmaterialien beteiligt sind, haben einen Übersichtsartikel zusammengestellt, der den Stand der Dinge auf ihrem Gebiet beschreibt. Solche Übersichtsartikel sind notwendig, damit junge Fachgebiete vorankommen, da sie das aktuelle Verständnis verdeutlichen, Fortschritte und Herausforderungen diskutieren , identifizieren Forschungslücken und können sogar Richtlinien für die Politik und Tipps zu bewährten Verfahren anbieten“, Huan Pang, Co-Autor des Papiers und Forscher an der School of Chemistry and Chemical Engineering der Yangzhou University, China

Das Papier untersucht alle aktuellen und potenziellen Anwendungen von Gerüstmaterialkatalysatoren auf Porphyrinbasis und stellt fest, dass noch großes Potenzial vorhanden ist, das Gebiet jedoch mit mehreren Herausforderungen konfrontiert ist.

In einer Wirtschaft mit Netto-Null-Treibhausgasemissionen kann nicht alles elektrifiziert werden – insbesondere der schwere Langstreckenverkehr – und daher wird irgendeine Form von sauberen Kraftstoffen wie CO2-neutrale synthetische Kohlenwasserstoffe, Ammoniak oder Wasserstoff erforderlich sein. All diese Brennstoffe beinhalten die Umwandlung sauberer Energie – ob aus Sonne, Wind, Wasser oder Uran – in transportierbare und stabile chemische Energie. Ein Teil dieses Prozesses erfordert die Produktion von sauberem Wasserstoff durch die Verwendung von Strom, Licht oder Wärme, um Wasser in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff zu spalten.

Kohlenwasserstoffe bestehen aus unterschiedlichen Verhältnissen von Kohlenstoff und Wasserstoff, daher der Name. Daher müssen die sauberen, synthetischen Versionen, die ihre schmutzigen fossilen Cousins ​​ersetzen, Kohlendioxid aus der Atmosphäre ziehen und es in verschiedene nutzbare Formen von Kohlenstoff umwandeln, um es mit dem sauberen Wasserstoff zu verbinden. Den atmosphärischen Kohlenstoff abzubauen und zu nutzen, wird auch als Kohlenstoffabscheidung und -nutzung (CCU) bezeichnet.

All diese Prozesse und viele andere, die am sauberen Übergang (der Übergang von fossilen Brennstoffen zu sauberen Technologien) beteiligt sind, wie die Verwendung von Brennstoffzellen und die Sammlung von Licht, sind in Wirklichkeit chemische Reaktionen, die Energie von einer Form in eine andere, besser nutzbare Form umwandeln . Diese chemischen Reaktionen erfordern die Zugabe von Substanzen, die als Katalysatoren bekannt sind, die die Reaktion beschleunigen. Einige dieser Katalysatoren wie Platin sind extrem teuer oder nicht effizient genug, damit das Endprodukt mit fossilen Brennstoffen konkurrieren kann, oder bringen eigene Umweltprobleme mit sich.

Daher geht die Jagd nach effizienteren, billigeren und saubereren Katalysatoren wie Porphyrin weiter.

Die Entwicklung effizienter unedler Porphyrin-basierter Gerüstmaterialkatalysatoren als Ersatz für Edelmetallkatalysatoren bleibt eine erhebliche Hürde. Das Design und die Konstruktion von Porphyrinblöcken beruhen derzeit hauptsächlich auf einem hochsymmetrischen Design, das die Vielfalt der Porphyringerüstfamilien einschränkt und ihre potenziellen katalytischen Anwendungen beeinträchtigt. Neuartige Strukturen, die Porphyrineinheiten mit asymmetrischem Design verwenden, sollten in Betracht gezogen werden, um die Nützlichkeit der Substanz zu erweitern.

Die Kosten für die Herstellung von Porphyrin-Gerüstmaterialien bleiben hoch, und daher ist es dringend erforderlich, dass Ingenieure neue Synthesemethoden entwickeln, wenn diese Katalysatoren in großtechnischen industriellen Anwendungen eingesetzt werden sollen. Die Reduzierung der Anzahl der für die Synthese erforderlichen Schritte ist eine wichtige Forschungsarbeit, aber auch äußerst schwierig.

Sie kommen jedoch zu dem Schluss, dass Gerüstmaterialien auf Porphyrinbasis bei der Bewältigung dieser Herausforderungen ein Wendepunkt bei der Kommerzialisierung von Energieumwandlungsprozessen sein könnten, die für einige der Sektoren, die am schwierigsten zu dekarbonisieren sind, unerlässlich sind.

Porphyrine gehören zu den am härtesten arbeitenden Substanzen der Biologie. Diese Klasse von Pigmenten wird in einer Vielzahl lebenswichtiger Prozesse eingesetzt, von der Photosynthese bis zur Atmung. Derivate dieser wasserlöslichen, ringförmigen Moleküle, die Metallionen binden, sind Chlorophylle in Pflanzen und die sauerstofftransportierenden Hämoglobine im Blut von Tieren. Sie verstärken auch die katalytischen Aktivitäten von Enzymen in einer Reihe anderer lebensspendender chemischer Reaktionen. Metalloporphyrine sind aufgrund ihrer Rolle als Katalysatoren bei der Wasserspaltung zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff von besonderem Interesse im Hinblick auf den sauberen Übergang.

Zur Verfügung gestellt von Tsinghua University Press