Фотохимическое восстановление углекислого газа

Фотохимическое восстановление углекислого газа использует солнечную энергию для преобразования CO ₂ в продукты с более высокой энергией. Экологический интерес к созданию искусственных систем мотивирован признанием того, что CO ₂ является парниковым газом . Процесс не был коммерциализирован.

Обзор

Фотохимическое восстановление включает в себя химическое восстановление (окислительно-восстановительный процесс), возникающее в результате фотовозбуждения другой молекулы, называемой фотосенсибилизатором . Чтобы использовать солнечную энергию, фотосенсибилизатор должен быть способен поглощать свет видимого и ультрафиолетового спектра. ^{[ 1 ]} Молекулярные сенсибилизаторы, соответствующие этому критерию, часто включают металлический центр, поскольку расщепление d-орбитали в металлоорганических соединениях часто попадает в энергетический диапазон дальнего УФ и видимого света. Как уже упоминалось, процесс восстановления начинается с возбуждения фотосенсибилизатора. Это вызывает движение электрона из металлического центра в функциональные лиганды . Это движение называется переносом заряда металл-лиганд (MLCT). Обратный перенос электронов от лигандов к металлу после переноса заряда, который не дает конечного результата, предотвращается путем включения электронодонорных частиц в раствор. Успешные фотосенсибилизаторы имеют долгоживущее возбужденное состояние, обычно из-за взаимного преобразования из синглетного состояния в триплетное, что дает донорам электронов время для взаимодействия с металлическим центром. ^{[ 2 ]} Обычными донорами фотохимического восстановления являются триэтиламин (ТЭА), триэтаноламин (ТЭОА) и 1-бензил-1,4-дигидроникотинамид (БНАХ).

Пример фотовозбуждения с использованием Ru(bpy) ₃ и триэтиламина. Конечным результатом является одиночный электрон, исходящий от металла, находящийся в ароматическом бипиридиновом фрагменте Ru(bpy) ₃ .

После возбуждения CO ₂ координирует или иным образом взаимодействует с внутренней координационной сферой восстановленного металла. Обычные продукты включают муравьиную кислоту , окись углерода и метанол . Обратите внимание, что поглощение света и каталитическое восстановление могут происходить на одном и том же металлоцентре или на разных металлоцентрах. То есть фотосенсибилизатор и катализатор могут быть связаны органической связью, обеспечивающей электронную связь между видами. В этом случае два металлоцентра образуют биметаллический супрамолекулярный комплекс. И возбужденный электрон, который находился на функциональных лигандах фотосенсибилизатора, проходит через вспомогательные лиганды в каталитический центр, который становится одноэлектронно восстановленным (OER) типом. Преимущество разделения двух процессов между разными центрами заключается в возможности настроить каждый центр на конкретную задачу, будь то путем выбора разных металлов или лигандов.

История

В 1980-х годах Лен заметил, что частицы Co(I) образуются в растворах, содержащих CoCl ₂ , 2,2'-бипиридин (bpy), третичный амин и фотосенсибилизатор Ru(bpy) ₃ Cl ₂ . Высокое сродство CO ₂ к кобальтовым центрам побудило его и Зисселя изучить кобальтовые центры в качестве электрокатализаторов восстановления. В 1982 году они сообщили о CO и H ₂ как о продуктах облучения раствора, содержащего 700 мл CO ₂ , Ru(bpy) ₃ и Co(bpy). ^{[ 4 ]}

Со времени работы Лена и Зисселя несколько катализаторов использовались в сочетании с фотосенсибилизатором Ru(bpy) ₃ . ^{[ 5 ]}^{[ 6 ]} В сочетании с катализаторами на основе метилвиологена, кобальта и никеля в качестве продуктов наблюдаются окись углерода и газообразный водород. В паре с рениевыми катализаторами в качестве основного продукта наблюдается окись углерода, а с рутениевыми катализаторами - муравьиная кислота. Некоторый выбор продуктов возможен за счет настройки реакционной среды. В качестве катализаторов также использовались другие фотосенсибилизаторы. К ним относятся FeTPP (TPP=5,10,15,20-тетрафенил-21H,23H-порфин) и CoTPP, оба из которых производят CO, а последний также производит формиат. Неметаллические фотокатализаторы включают пиридин и N-гетероциклические карбены. ^{[ 7 ]} ^{[ 8 ]}

В августе 2022 года был разработан фотокатализатор на основе связей свинец - сера (Pb-S) с многообещающими результатами. ^{[ 10 ]}

См. также

Ссылки

^ Крэбтри, Р.-Х.; «Металлоорганическая химия переходных металлов, 4-е изд.» Джон Уайли и сыновья: Нью-Йорк, 2005. ISBN 978-0-471-66256-3
^ Уиттен, Дэвид Дж. (1980). «Фотоиндуцированные реакции переноса электрона металлокомплексов в растворе». Отчеты о химических исследованиях . 13 (3): 83–90. дои : 10.1021/ar50147a004 .
^ Голамхасс, Бобак; Маметсука, Хироаки; Койке, Кадзухидэ; Танабэ, Тоёаки; Фуруэ, Масаоки; Ишитани, Осаму (2005). «Архитектура супрамолекулярных металлических комплексов для фотокаталитического восстановления CO ₂ : би- и тетраядерные комплексы рутения-ренией». Неорганическая химия . 44 (7): 2326–2336. дои : 10.1021/ic048779r . ПМИД 15792468 .
^ Лен, Жан-Мари; Зиссель, Раймонд (1982). «Фотохимическое получение монооксида углерода и водорода путем восстановления углекислого газа и воды под воздействием видимого света» . Труды Национальной академии наук США . 79 (2): 701–704. Бибкод : 1982PNAS...79..701L . дои : 10.1073/pnas.79.2.701 . ПМЦ 345815 . ПМИД 16593151 .
^ Фудзита, Эцуко (1999). «Фотохимическое восстановление углекислого газа металлокомплексами» . Обзоры координационной химии . 185–186: 373–384. дои : 10.1016/S0010-8545(99)00023-5 .
^ Родригес-Хименес, Сантьяго; Сун, Хунвэй; Лам, Эрвин; Райт, Демельза; Панвиц, Андреа; Бонке, Шеннон А.; Баумберг, Джереми Дж.; Бонне, Сильвестр; Хаммарстрем, Лейф; Райснер, Эрвин (01 июня 2022 г.). «Самособирающиеся липосомы усиливают перенос электронов для эффективного фотокаталитического восстановления CO 2» . Журнал Американского химического общества . 144 (21): 9399–9412. дои : 10.1021/jacs.2c01725 . hdl : 1887/3453379 . ISSN 0002-7863 . ПМИД 35594410 .
^ Коул, Эмили; Лаккараджу, Прасад; Рампулла, Дэвид; Моррис, Аманда; Абелев, Эста; Бокарсли, Эндрю (2010). «Использование одноэлектронного челнока для многоэлектронного преобразования CO2 в метанол: кинетические, механистические и структурные выводы». Журнал Американского химического общества . 132 (33): 11539–11551. дои : 10.1021/ja1023496 . ПМИД 20666494 .
^ Хуан, Фанг; Лу, Банда; Чжао, Лили; Ван, Чжи-Сян (2010). «Каталитическая роль N-гетероциклического карбена в безметалловой конверсии углекислого газа в метанол: исследование вычислительного механизма». Журнал Американского химического общества . 132 (35): 12388–12396. дои : 10.1021/ja103531z . ПМИД 20707349 .
^ Хавекер, Жанно; Лен, Жан-Мари; Зиссель, Раймонд (1983). «Эффективное фотохимическое восстановление CO ₂ до CO путем облучения видимым светом систем, содержащих Re(bipy)(CO) ₃ X или Ru(bipy) ₃²⁺-Ко ²⁺ Комбинации как гомогенные катализаторы». Журнал Химического общества, Chemical Communications . 9 (9): 536–538. doi : 10.1039/c39830000536 .
^ Токийский технологический институт (22 августа 2022 г.). «Эффективное восстановление углекислого газа в видимом свете с помощью нового недорогого катализатора» . Физика.орг . Проверено 24 августа 2022 г. Новый CP, известный как KGF-9, состоит из бесконечной (-Pb-S-)n-структуры со свойствами, не похожими ни на один другой известный фотокатализатор.

[1] Крэбтри, Р.-Х.; «Металлоорганическая химия переходных металлов, 4-е изд.» Джон Уайли и сыновья: Нью-Йорк, 2005. ISBN 978-0-471-66256-3

[2] Уиттен, Дэвид Дж. (1980). «Фотоиндуцированные реакции переноса электрона металлокомплексов в растворе». Отчеты о химических исследованиях . 13 (3): 83–90. дои : 10.1021/ar50147a004 .

[3] Голамхасс, Бобак; Маметсука, Хироаки; Койке, Кадзухидэ; Танабэ, Тоёаки; Фуруэ, Масаоки; Ишитани, Осаму (2005). «Архитектура супрамолекулярных металлических комплексов для фотокаталитического восстановления CO ₂ : би- и тетраядерные комплексы рутения-ренией». Неорганическая химия . 44 (7): 2326–2336. дои : 10.1021/ic048779r . ПМИД 15792468 .

[4] Лен, Жан-Мари; Зиссель, Раймонд (1982). «Фотохимическое получение монооксида углерода и водорода путем восстановления углекислого газа и воды под воздействием видимого света» . Труды Национальной академии наук США . 79 (2): 701–704. Бибкод : 1982PNAS...79..701L . дои : 10.1073/pnas.79.2.701 . ПМЦ 345815 . ПМИД 16593151 .

[5] Фудзита, Эцуко (1999). «Фотохимическое восстановление углекислого газа металлокомплексами» . Обзоры координационной химии . 185–186: 373–384. дои : 10.1016/S0010-8545(99)00023-5 .

[6] Родригес-Хименес, Сантьяго; Сун, Хунвэй; Лам, Эрвин; Райт, Демельза; Панвиц, Андреа; Бонке, Шеннон А.; Баумберг, Джереми Дж.; Бонне, Сильвестр; Хаммарстрем, Лейф; Райснер, Эрвин (01 июня 2022 г.). «Самособирающиеся липосомы усиливают перенос электронов для эффективного фотокаталитического восстановления CO 2» . Журнал Американского химического общества . 144 (21): 9399–9412. дои : 10.1021/jacs.2c01725 . hdl : 1887/3453379 . ISSN 0002-7863 . ПМИД 35594410 .

[7] Коул, Эмили; Лаккараджу, Прасад; Рампулла, Дэвид; Моррис, Аманда; Абелев, Эста; Бокарсли, Эндрю (2010). «Использование одноэлектронного челнока для многоэлектронного преобразования CO2 в метанол: кинетические, механистические и структурные выводы». Журнал Американского химического общества . 132 (33): 11539–11551. дои : 10.1021/ja1023496 . ПМИД 20666494 .

[8] Хуан, Фанг; Лу, Банда; Чжао, Лили; Ван, Чжи-Сян (2010). «Каталитическая роль N-гетероциклического карбена в безметалловой конверсии углекислого газа в метанол: исследование вычислительного механизма». Журнал Американского химического общества . 132 (35): 12388–12396. дои : 10.1021/ja103531z . ПМИД 20707349 .

[9] Хавекер, Жанно; Лен, Жан-Мари; Зиссель, Раймонд (1983). «Эффективное фотохимическое восстановление CO ₂ до CO путем облучения видимым светом систем, содержащих Re(bipy)(CO) ₃ X или Ru(bipy) ₃²⁺-Ко ²⁺ Комбинации как гомогенные катализаторы». Журнал Химического общества, Chemical Communications . 9 (9): 536–538. doi : 10.1039/c39830000536 .

[10] Токийский технологический институт (22 августа 2022 г.). «Эффективное восстановление углекислого газа в видимом свете с помощью нового недорогого катализатора» . Физика.орг . Проверено 24 августа 2022 г. Новый CP, известный как KGF-9, состоит из бесконечной (-Pb-S-)n-структуры со свойствами, не похожими ни на один другой известный фотокатализатор.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]