Der Klimawandel ist ein globales Umweltproblem. Ein wesentlicher Beitrag zum Klimawandel kommt von der übermäßigen Verbrennung fossiler Brennstoffe. Sie produzieren Kohlendioxid (CO2), ein Treibhausgas, das für die globale Erwärmung verantwortlich ist. Vor diesem Hintergrund erarbeiten Regierungen weltweit Richtlinien zur Eindämmung solcher CO2-Emissionen. Die bloße Reduzierung der CO2-Emissionen reicht jedoch möglicherweise nicht aus. Auch das Management des erzeugten Kohlendioxids ist notwendig.
An dieser Front haben Wissenschaftler vorgeschlagen, CO chemisch umzuwandeln2 in wertschöpfende Verbindungen wie Methanol und Ameisensäure (HCOOH). Letzteres herzustellen erfordert eine Quelle für Hydridionen (H–), was einem Proton und zwei Elektronen entspricht. Zum Beispiel das Nicotinamid-Adenin-Dinukleotid (NAD+/NADH) Reduktions-Oxidations-Paar ist ein Hydrid (H–) Generator und Reservoir in biologischen Systemen.
Vor diesem Hintergrund hat eine Forschergruppe um Professor Hitoshi Tamiaki von der Ritsumeikan University, Japan, nun ein neuartiges chemisches Verfahren entwickelt, das CO reduziert2 zu HCOOH mit NAD+/NADH-ähnliche Rutheniumkomplexe. Ihre Arbeit wurde in der Zeitschrift veröffentlicht ChemSusChem am 13. Januar 2023.
Prof. Tamiaki erklärt die Motivation hinter ihrer Forschung. „Kürzlich ein Rutheniumkomplex mit einem NAD+ Modell — [Ru(bpy)2(pbn)](PF6)2 — wurde gezeigt, dass es einer photochemischen Zwei-Elektronen-Reduktion unterliegt. Es produzierte den entsprechenden Komplex vom NADH-Typ [Ru(bpy)2(pbnHH)](PF6)2 unter Bestrahlung mit sichtbarem Licht in Gegenwart von Triethanolamin in Acetonitril (CH3CN)“, führt er aus. „Außerdem ist das Sprudeln von CO2 in die [Ru(bpy)2(pbnHH)]2+ Lösung regeneriert [Ru(bpy)2(pbn)]2+ und produziertes Formation (HCOO–). Der Ertrag war jedoch recht gering. Daher die Übertragung von H– zu CO2 erforderte ein verbessertes katalytisches System.“
Folglich untersuchten die Forscher verschiedene Reagenzien und Reaktionsbedingungen, um CO zu ermöglichen2 die Ermäßigung. Basierend auf diesen Experimenten schlugen sie eine photoinduzierte Zwei-Elektronen-Reduktion von vor [Ru(bpy)2(pbn)]2+/[Ru(bpy)2(pbnHH)]2+ Redoxpaar in Gegenwart von 1,3-Dimethyl-2-phenyl-2,3-dihydro-1H-benzo[d]Imidazol (BIH). Außerdem ist Wasser (H2O), anstelle von Triethanolamin, in CH3CN verbesserte die Ausbeute weiter.
Darüber hinaus untersuchten die Forscher den zugrunde liegenden Reaktionsmechanismus mit Techniken wie kernmagnetischer Resonanz, zyklischer Voltammetrie und UV-Vis-Spektrophotometrie. Auf dieser Grundlage schlugen sie Folgendes vor: Erstens die Fotoanregung von [Ru(bpy)2(pbn)]2+ produziert [RuIII(bpy)2(pbn•?)]2+* Radikal, das einer Reduktion durch BIH unterzogen wird, um zu geben [RuII(bpy)2(pbn•?)]2+ und BIH•+. Im Anschluss daran H2O protoniert den Rutheniumkomplex und erzeugt [Ru(bpy)2(pbnH•)]2+ und BI•. Das erhaltene Produkt wird zur Erzeugung einer Disproportionierung unterzogen [Ru(bpy)2(pbnHH)]2+ und gibt zurück [Ru(bpy)2(pbn)]2+. Dann wird ersteres durch BI• reduziert, um es zu produzieren [Ru(bpy)(bpy•?)(pbnHH)]+. Dieser Komplex ist ein aktiver Katalysator und überträgt H– zu CO2die HCOO produziert– und Ameisensäure.
Die Forscher zeigten, dass die vorgeschlagene Reaktion eine hohe Umsatzzahl zeigte – Mol CO2 umgewandelt durch ein Mol Katalysator – von 63.
Begeistert von diesen Erkenntnissen hoffen die Forscher, eine neue Methode der Energieumwandlung (Sonnenlicht in chemische Energie) für die Produktion neuartiger erneuerbarer Materialien zu entwickeln.
„Unsere Methode würde auch die Gesamtmenge an CO verringern2 Gas auf der Erde und helfen, den Kohlenstoffkreislauf aufrechtzuerhalten. Somit könnte es in Zukunft die globale Erwärmung reduzieren“, fügt Prof. Tamiaki hinzu. „Darüber hinaus wird uns die neuartige Transfertechnologie für organische Hydride unschätzbare chemische Verbindungen liefern.“