Молекулярный лист восстанавливает СО2

Новая каталитически активная молекула — это нанографеновый комплекс, который может поглощать свет и преобразовывать его энергию для конверсии СО2 до СО

Международная группа исследователей под руководством Лян-ши Ли из Университета Индианы сделала еще один шаг к разработке технологии рециклизации диоксида углерода в топливо или в исходные вещества для органического синтеза («Journal of the American Chemical Society», 2017, 139, 11, 3934—3937, doi: 10.1021/jacs.6b12530). Химики синтезировали молекулу, которая под действием облучения или электрического тока восстанавливает углекислый газ до монооксида углерода (СО). При этом новый способ более эффективен, чем любой другой, известный до сих пор.

Сгорающее топливо (им может быть тот же монооксид углерода) обогащает окружающую среду углекислым газом. Теоретически для того, чтобы восстановить углекислый газ до вещества, способного гореть, нужно затратить такое же количество энергии, которое выделилось при окислении этого вещества, однако на практике энергии приходится тратить еще больше из-за тепловых потерь. Поэтому исследователи с энтузиазмом пытаются разработать процессы восстановления, для которых можно было бы использовать «бесплатную» энергию — в первую очередь энергию солнечного света.

Именно это делает молекула, созданная в группе Ли. Новый комплекс, в котором атом рения связан с наноразмерным листом графена за счет координирующихся азотсодержащих фрагментов, успешно конвертирует углекислый газ в монооксид углерода. Последний может быть не только углерод-нейтральным топливом (то есть таким, которое не приводит к дополнительным выбросам СО2, поскольку оно само получено из него), но также исходным веществом для получения ценных продуктов органического синтеза.

Вероятно, эффективность нового катализатора в фотовосстановлении углекислого газа связана с тем, что в нем есть металлокомплексный нанографеновый кусок — он весьма эффективно поглощает свет с различными длинами волн. Графен связан с металлом за счет фрагмента, строение которого аналогично строению бипиридина. Бипиридиновые комплексы металлов, в том числе рения, пытались и раньше применять в качестве катализаторов фотовосстановления СО₂ до СО, однако бипиридиновые комплексы поглощают свет в узком диапазоне, причем преимущественно в ультрафиолете. Замена бипиридинового лиганда на гибрид бипиридина и графена изменила фотоадсорбционные свойства нового комплекса — он «научился» поглощать свет в диапазоне от ультрафиолета до оранжевого (до 600 нм). Это позволяет конвертировать гораздо большую часть энергии Солнца. Фактически комплекс работает как система из двух устройств: графеновая антенна получает энергию и питает «машину» — рениевый центр, на котором образуется монооксид углерода.

Идея получить и опробовать соединение графена с металлом пришла Ли в голову после его более ранних работ по увеличению эффективности солнечных батарей с помощью углеродсодержащих материалов.

В перспективе Ли планирует увеличить стабильность графенсодержащих металлокатализаторов и получить формы, работающие в твердом состоянии, а не в растворе: на практике твердотельные катализаторы гораздо удобнее и применять их проще. Заманчивой кажется и другая идея: заменить рений на более дешевый металл, например, марганец.