Struktury metaloorganiczne elektrolizerów poprawiają sprawność zachodzących w nich reakcji chemicznych
Struktury metaloorganiczne (MOF) to porowate krystaliczne materiały zbudowane z cząsteczek organicznych („łączniki”), które łączą się ze skupiskami jonów metali, tworząc struktury trójwymiarowe. Te niewielkie struktury, o rozmiarze do około 100 mikrometrów, są uporządkowane i wysoce modułowe. Pozwalają też uzyskiwać materiały o bardzo różnych właściwościach. Zostały one wykorzystane do poprawy sprawności magazynowania wodoru w butlach z gazem i są badane pod kątem możliwości stosowania w mechanizmie wprowadzania i uwalniania leków terapeutycznych podczas zabiegów medycznych. Ostatnio opracowano MOF, które działają jako elektrokatalizatory z jednostkami katalitycznymi (globalna jednostka miary do ilościowego określania aktywności katalitycznej enzymów) zawartymi w węzłach metali, cząsteczkach łącznika lub nawet uwięzionych w porach MOF. Projekt MOFcat (Fundamental and Applied Science on Molecular Redox-Catalysts of Energy Relevance in Metal-Organic Frameworks), wspierany przez Europejską Radę ds. Badań Naukowych, był poświęcony badaniom nad utleniającymi wodę elektrolizerami na bazie MOF, które generują elektrony i protony niezbędne do produkcji wodoru i redukcji dwutlenku węgla (CO2). W opracowanych materiałach MOF węzły metali zapewniają rusztowanie, zapewniając integralność strukturalną i trwałość MOF, natomiast łączniki tworzą miejsca aktywne dla katalizatorów, które napędzają pożądane reakcje chemiczne. „Aby jak najbardziej zwiększyć sprawność elektrokatalizy, opracowaliśmy nowe metody analizy transportu ładunku w tych materiałach krystalicznych”, mówi Sascha Ott, kierownik projektu pracujący na Uniwersytecie w Uppsali. „Odkryliśmy, że ograniczenia często wynikały nie z częstotliwości obrotu jednostek katalitycznych, ale z ograniczenia prędkości transportu ładunku elektrycznego przez materiały MOF”.
Zalety MOF
Ponieważ MOF są materiałami wysoce uporządkowanymi, mają znaczną przewagę nad rozwiązaniami wykorzystującymi roztwory, w których katalizator nie podlega żadnej kontroli. Precyzyjne umieszczenie katalizatora w strukturze MOF daje możliwość prowadzenia kontrolowanych i specyficznych dla miejsca reakcji, które poprawiają jego działanie. W ramach projektu MOFcat powstała platforma fotoelektrochemiczna, która wykorzystuje energię światła do przyspieszenia przemian chemicznych. Tę nową metodologię można zastosować zarówno do produkcji paliw, jak i do prowadzenia organicznej katalizy fotoredoksowej. Aby zademonstrować to drugie rozwiązanie, związki MOF wykorzystano do pokrycia półprzewodników, które po oświetleniu dostarczały energii elektrycznej do przeprowadzania przemian chemicznych. Zespół wykonał następnie kilka materiałów elektrodowych na bazie MOF. Jeden, nazwany „UU-100”, został zsyntetyzowany przy użyciu występującego stosunkowo obficie kobaltu metalicznego. UU-100 umożliwił generowanie wodoru przez 18 godzin bez zmniejszenia swojej aktywności katalitycznej. „Wprowadzenie molekularnych katalizatorów kobaltowych do MOF zwiększyło obrót wodoru ponad 1 000 razy w porównaniu z katalizatorami w roztworach jednorodnych”, wyjaśnia Ott. Charakterystykę większości materiałów przeprowadzono przy użyciu technik elektrochemicznych, czasami sprzężonych ze spektroskopią w ultrafiolecie i świetle widzialnym. Na przykład zdołano wyhodować MOF na przezroczystej elektrodzie, gdzie w wyniku elektrochemicznej redukcji zachodzi zmiana koloru łącznika, co umożliwia obserwację transportu ładunku przez warstwę w czasie.
Rewolucyjna technologia
Platforma MOFcat oferuje technologię, która jest zarówno wydajniejsza, jak i czystsza niż wiele jej alternatyw. Na przykład w katalizie fotoredoksowej tak zwane tracone reagenty chemiczne, które generują elektrony i równoważniki utleniające niezbędne do katalizy, pozostają w mieszaninie jako odpady chemiczne. Można tego uniknąć, korzystając z platformy MOFcat. Precyzyjna chemia molekularna platformy MOFcat umożliwia także dokładne dostosowanie reaktywności katalizatora. Zmniejsza to emisję CO2, zwiększając jednocześnie sprawność procesu i ograniczając liczbę produktów ubocznych, których usunięcie byłoby w innym przypadku trudne i kosztowne. Innym przykładem może być, obecnie niezbyt selektywna, elektrochemiczna redukcja CO2 w celu wychwytywania dwutlenku węgla lub wytwarzania produktów, takich jak metanol lub etylen. Sprawdza się to szczególnie w rozwiązaniach, w których jako katalizatory stosuje się materiały takie jak tlenki metali. „Technologię elektrokatalizy opartą na elektrochemicznej metodzie MOF można zasadniczo stosować w zakładach emitujących CO2, takich jak elektrownie na paliwa kopalne lub rafinerie ropy naftowej, w celu zmniejszenia ich emisji CO2”, dodaje Ott. Zespół szuka teraz dalszego wsparcia, aby przetestować więcej materiałów MOF w różnych projektach elektrolizerów i opracować prototyp odpowiednich dla nich katalitycznych materiałów MOF.
Słowa kluczowe
MOFcat, struktura metaloorganiczna, MOF, elektrokataliza, katalityczny, wodór, dwutlenek węgla, CO2, fotoredoks, elektroda, światło
