تنظیم دقیق کبالت برای تبدیلات شیمیایی تمیزتر

ویرایش شده توسط گابی کلارک، بررسی توسط رابرت ایگان

این مقاله با توجه به روند و سیاست‌های ویرایشی Science X بررسی شده است. ویراستاران ضمن اطمینان از اعتبار محتوا، ویژگی های زیر را برجسته کرده اند:

یافتن جایگزینی برای فلزات گرانبها در تولید شیمیایی ممکن است کمتر شبیه یافتن یک جایگزین باشد و بیشتر شبیه کوک کردن ابزاری باشد که از قبل در دست دارید.

دانشمندان دانشگاه ملی یوکوهاما دریافته‌اند که وقتی تعادل بین کبالت فلزی و اکسید کبالت به دقت تنظیم شود، یک کاتالیزور کبالت فراوان در زمین می‌تواند به طور انتخابی ترکیبات حاوی نیتروژن را هیدروژنه کند. یافته‌های آن‌ها می‌تواند به رویکردهای پایدارتری برای تولید مواد شیمیایی که به فلزات گرانبها وابسته نیستند، اجازه دهد.

این مطالعه در مجله American Chemical Society منتشر شده است.

از داروها گرفته تا پلاستیک‌ها، بسیاری از محصولاتی که ما هر روز به آن‌ها تکیه می‌کنیم، با دگرگونی‌های شیمیایی شروع می‌شوند که به کاتالیزورهایی با طراحی دقیق نیاز دارند. یک مثال مهم هیدروژناسیون است که هیدروژن را به مولکول ها اضافه می کند تا ترکیبات شیمیایی مفیدی تولید کند.

هیدروژناسیون معمولی معمولا به گاز هیدروژن متکی است، اما هیدروژناسیون الکتروکاتالیستی می تواند معادل هیدروژن را از آب با استفاده از برق تولید کند. این یک رویکرد بالقوه پایدارتر برای دگرگونی‌های شیمیایی تقلیل‌دهنده ارائه می‌دهد، به‌ویژه زمانی که با برق تجدیدپذیر تغذیه می‌شود.

این فناوری اما کاستی های خاص خود را دارد.

ماهیتو آتوبه، استاد دانشکده مهندسی دانشگاه ملی یوکوهاما و نویسنده مرتبط این مطالعه گفت: «یک چالش بزرگ در هیدروژناسیون الکتروکاتالیستی، جایگزینی فلزات کمیاب گروه پلاتین با کاتالیزورهای فراوان در زمین بدون از بین بردن فعالیت یا گزینش پذیری است.

در جستجوی جایگزین‌ها، تیم به کبالت، یک فلز فراوان و اقتصادی روی آورد.

نائوکی شیدا، دانشیار همان دانشکده و نویسنده همکار، گفت: «ما می‌خواستیم بفهمیم که چگونه حالت اکسیداسیون کبالت در شرایط عملیاتی تغییر می‌کند و آیا کنترل تعادل بین کبالت فلزی و اکسید کبالت می‌تواند یک کاتالیزور مؤثر ایجاد کند یا خیر».

محققان کاتالیزور خود را از سولفات کبالت تهیه کردند و آن را در دمای 750 درجه سانتیگراد (1382 درجه فارنهایت) کلسینه کردند. آنها سپس آن را در یک الکترولیز غشایی تبادل آنیون آزمایش کردند، که در آن الکتریسیته باعث واکنش های هیدروژناسیون می شود.

کاتالیزور بهینه شده پیریدین را با بازدهی بیش از 99 درصد در شرایط الکترولیز محیطی به پیپریدین تبدیل کرد. به عبارت دیگر، تقریبا تمام پیریدینی که واکنش نشان می‌دهد، به جای محصولات جانبی ناخواسته، به محصول مورد نظر تبدیل می‌شود. پیپریدین یک بلوک ساختمانی مهم در شیمی مصنوعی و دارویی است که این واکنش را به یک آزمایش مفید برای توانایی کاتالیزور در انجام هیدروژناسیون انتخابی تبدیل می کند.

با این حال، چنین عملکردی همیشه تضمین شده نیست.

آتوبه گفت: «ما دریافتیم که عملکرد کاتالیزوری کبالت نه صرفا با ترکیب عنصری آن، بلکه توسط حالت اکسیداسیون دینامیکی آن در طول الکترولیز تعیین می شود.

در طول الکترولیز، کبالت می تواند بین Co(0) فلزی و اکسید کبالت، CoOx جابجا شود. محققان دریافتند که کاتالیزورهای حاوی مقدار زیادی از هر دو شکل کمتر فعال هستند. در عوض، بهترین عملکرد از نسبت متوسط ​​Co(0)/CoOx حاصل شد.

برای درک دلیل، این تیم خصوصیات تجربی را با طیف‌سنجی پرتو ایکس درجا و محاسبات نظری ترکیب کردند. نتایج نشان می دهد که همزیستی Co فلزی و CoOx باقیمانده یک محیط مطلوب برای جذب پیریدین و هیدروژناسیون ایجاد می کند.

آتوبه گفت: "حفظ تعادل مناسب بین Co فلزی و CoOx باقیمانده، هیدروژناسیون بسیار انتخابی را ممکن می کند."

این کاتالیزور همچنین به طور انتخابی طیف وسیعی از ترکیبات حاوی نیتروژن از جمله پیریدین ها، کینولین ها، پیرازین ها، نیتریل ها و نیتروآرن ها را هیدروژنه کرد. همچنین مسیرهای هیدروژناسیون نامطلوب را که با کاتالیزورهای نادر مبتنی بر رودیوم مشاهده می شود، سرکوب کرد.

محققان سپس به یک چالش عملی پرداختند: الکترولیز طولانی مدت می تواند کاتالیزور را بیش از حد کاهش دهد و آن را از حالت بهینه خود دور کند. این تیم الکترولیز متناوب را برای کمک به حفظ تعادل مناسب Co(0)/CoOx معرفی کردند. این استراتژی تبدیل پیریدین به پیپریدین را در مقیاس گرم با بازده 89 درصد در حالی که ولتاژ سلولی پایدار حفظ می‌کند، فعال کرد.

این یافته ها اصل گسترده تری را برای طراحی کاتالیست برجسته می کند: کنترل حالت شیمیایی کاتالیزور در حین کار می تواند به اندازه انتخاب خود کاتالیست مهم باشد.

این تیم قصد دارد این استراتژی کنترل حالت اکسیداسیون را به سایر کاتالیزورهای فلزات واسطه ای فراوان در زمین و طیف وسیع تری از واکنش های مهم مصنوعی گسترش دهد.

شیدا گفت: "هدف نهایی ما توسعه فرآیندهای الکتروشیمیایی مقیاس پذیر است که در آن حالت های کاتالیزوری می توانند به طور فعال تحت شرایط عملیاتی کنترل شوند." این می تواند تولید مواد شیمیایی انتخابی را بدون تکیه بر فلزات گرانبها کمیاب امکان پذیر کند.

Akizumi Yonezawa و همکاران، کنترل حالت اکسیداسیون الکتروکاتالیست های کبالت، هیدروژناسیون انتخابی آروماتیک های حاوی نیتروژن را امکان پذیر می کند، مجله انجمن شیمی آمریکا (2026). DOI: 10.1021/jacs.6c12207

اطلاعات مجله: مجله انجمن شیمی آمریکا

کارشناسی ارشد زبان انگلیسی، ویرایشگر کپی از سال 2021 با تجربه در آموزش عالی و محتوای بهداشتی. تقدیم به اخبار معتبر علمی. نمایه کامل →

لیسانس زیست شناسی ریاضی، کارشناسی ارشد در نوشتن خلاق. خوش سفر با دیدگاه های منحصر به فرد در علم و زبان. نمایه کامل →