Wykorzystanie szkieletów metaloorganicznych do budowy wydajniejszych zastosowań energetycznych
Szkielety metaloorganiczne są porowatymi materiałami utworzonymi z jonów metali lub nieorganicznych klastrów połączonych sztywnymi organicznymi łącznikami. Dzięki niespotykanej dotąd powierzchni, możliwości modyfikacji oraz modułowej budowie, która pozwala na powielanie kluczowych cech naturalnych enzymów, materiały te mogą odegrać ważną rolę w magazynowaniu i przekształcaniu energii. Wyzwanie to, które podjęto w ramach finansowanego ze środków UE projektu Supramol (Towards Artificial Enzymes: Bio-inspired Oxidations in Photoactive Metal-Organic Frameworks), polega jednak na ustaleniu, jak najlepiej wykorzystać szkielety metaloorganiczne do zastosowań w zrównoważonej energetyce. „Wykorzystując jednostki składowe zbierające światło, chcemy opracować wytrzymałe, porowate szkielety metaloorganiczne, które wykorzystują absorpcję światła do wyzwalania procesu przeniesienia elektronów, niezbędnego do aktywacji procesu katalitycznego”, mówi Wolfgang Schmitt, główny badacz projektu i profesor chemii w Kolegium Trójcy Świętej w Dublinie. Według Schmitta głównym celem projektu jest dostarczenie dowodu na słuszność koncepcji opracowywania systemów fotokatalitycznych zdolnych do katalizowania wysoce endoenergetycznej reakcji utleniania H2O. „Byłoby to wielkim przełomem i znaczącym krokiem na drodze do wdrożenia zrównoważonych koncepcji energetycznych opartych na wodorze”, dodaje.
Osiągnięcie kilku ważnych rezultatów
Chociaż prace wciąż trwają, w ramach tego wspieranego przez Europejską Radę ds. Badań Naukowych projektu osiągnięto już kilka ważnych rezultatów. Naukowcom udało się na przykład skatalizować reakcję utleniania H2O przy użyciu inspirowanego naturą gatunku na bazie manganu, który swymi cechami strukturalnymi przypomina naturalny fotoukład II. Fotoukład II znajduje się w błonie tylakoidu roślin, alg i sinic i jest pierwszym kompleksem białkowym biorącym udział w zależnych od światła reakcjach fotosyntezy tlenowej. „To podejście może otworzyć drzwi do nowych koncepcji opracowywania skutecznych katalizatorów na potrzeby technologii bezpośredniej konwersji energii słonecznej na paliwo”, wyjaśnia Schmitt. W ramach projektu przygotowano również wysoce porowate szkielety metaloorganiczne, w których aktywne katalitycznie jednostki połączone są za pomocą zbierających światło metaloligandów na bazie rutenu. „Układ ten można otrzymać przy użyciu metody elektrochemicznej z wysoce rozcieńczonych roztworów reagentów i zgrupować bezpośrednio na powierzchni elektrod w ciągu kilku minut”, mówi Schmitt. Przy pomocy badań fotofizycznych badacze potwierdzili, że w szkieletach metaloorganicznych zachowane są właściwości pochłaniania światła przez metaloligandy rutenowo-pirydylowe. „Ta cecha jest kluczowa dla umożliwienia szybkiego transferu energii i elektronów potrzebnych do efektywnego katalizowania reakcji utleniania wody lub innych przemian związanych z energią”, dodaje Schmitt. Inne kluczowe wyniki obejmują odkrycie podejścia do syntezy sferycznych klatek molekularnych o dużych średnicach przekroju poprzecznego oraz odkrycie materiałów o wysokim powinowactwie do cząsteczek gazu CO2.
Inspirowanie nowych projektów badawczych opartych na współpracy
W ramach projektu udało się opracować nowe procesy syntezy pozwalające uzyskać zestawy strukturalnie zwartych i wysoce funkcjonalnych materiałów. „Niektóre z tych materiałów mają właściwości światłoczułe”, wyjaśnia Schmitt. „Inne można zsyntetyzować w ciągu zaledwie kilku minut, na przykład aby tworzyć elektrody bezpośrednio na powierzchni”. Naukowcy wykorzystują obecnie te związki do opracowania urządzeń fotoelektrokatalitycznych, które mogą być stosowane do przeprowadzania różnych foto/elektrokatalitycznych reakcji redoks, w tym utleniania wody, redukcji CO2 i przekształcania odczynników organicznych. „Materiały opracowane w ramach projektu Supramol będą inspiracją dla nowych projektów badawczych opartych na współpracy”, podsumowuje Schmitt. „Może to obejmować nie tylko badania nad nowymi zależnościami między strukturą a reaktywnością, ale także oddolne podejścia do szkieletów metaloorganicznych o ulepszonych właściwościach fizykochemicznych, które wykraczają poza katalizowanie procesu utleniania wody”.
Słowa kluczowe
Supramol, szkielety metaloorganiczne, zrównoważona energia, metal, materiały, magazynowanie energii, proces katalityczny, systemy fotokatalityczne, wodór
