I ricercatori dell'OIST hanno sviluppato catalizzatori semplici a base di manganese abbondante sulla Terra per utilizzare l'anidride carbonica per lo stoccaggio di energia o trasformarla in sostanze chimiche utili per l'industria.

L'anidride carbonica (CO2) è nota come gas serra e svolge un ruolo essenziale nei cambiamenti climatici; non c'è da meravigliarsi se gli scienziati hanno cercato soluzioni per prevenirne il rilascio nell'ambiente. Però, come a buon mercato, fonte di carbonio prontamente disponibile e non tossica, negli ultimi anni ci sono stati sforzi per trasformare l'anidride carbonica in articoli di valore, o prodotti a "valore aggiunto".

Ad esempio, l'anidride carbonica consente lo stoccaggio di energia reagendo con il gas idrogeno - chiamato processo di idrogenazione - trasformando la miscela in composti liquidi ad alta energia come il metanolo che possono essere facilmente trasportati e utilizzati come carburante per auto. Allo stesso modo, l'idrogenazione dell'anidride carbonica in presenza di altre sostanze chimiche può portare alla formazione di vari prodotti a valore aggiunto ampiamente utilizzati nell'industria come l'acido formico, formamidi, o formaldeide. Queste sostanze chimiche possono anche essere potenzialmente utilizzate per lo stoccaggio di energia come, Per esempio, il riscaldamento dell'acido formico in determinate condizioni consente il rilascio di gas idrogeno in modo controllato e reversibile.

La conversione dell'anidride carbonica in prodotti utili è complicata dal fatto che la CO2 è la forma di carbonio più ossidata e come tale una molecola molto stabile e non reattiva. Perciò, la reazione diretta della CO2 con l'idrogeno richiede un'elevata energia, rendendo il processo economicamente sfavorevole. Questo problema può essere superato utilizzando catalizzatori, che sono composti utilizzati in piccole quantità per accelerare le reazioni chimiche. Ai fini dell'idrogenazione della CO2, i catalizzatori più conosciuti sono a base di metalli preziosi quali iridio, rodio o rutenio. Pur essendo ottimi catalizzatori, la scarsità di questi metalli preziosi ne rende difficile l'utilizzo su scala industriale. Sono anche difficili da riciclare e potenzialmente tossici per l'ambiente. Altri catalizzatori utilizzano metalli più economici come il ferro o il cobalto, ma richiedono una molecola a base di fosforo, chiamata fosfina, che circonda il metallo. Le fosfine non sono sempre stabili intorno all'ossigeno e talvolta bruciano violentemente in atmosfera d'aria, che presenta un altro problema per le applicazioni pratiche.

Per superare questi problemi, l'Unità di Chimica e Catalisi del Coordinamento OIST guidata dalla Prof.ssa Julia Khusnutdinova ha riferito Catalisi ACS catalizzatori nuovi ed efficienti basati su un metallo economico e abbondante:il manganese. Il manganese è il terzo metallo più abbondante nella crosta terrestre dopo il titanio e il ferro, e presenta una tossicità molto inferiore rispetto a molti altri metalli utilizzati nell'idrogenazione con CO2.

Gli scienziati inizialmente hanno cercato ispirazione nel mondo naturale:l'idrogenazione è una reazione che avviene in molti organismi che non avrebbero accesso a metalli preziosi o fosfine. Hanno osservato la struttura di enzimi specifici - idrogenasi - per capire come potevano realizzare l'idrogenazione usando semplici, Materiali abbondanti in terra. Per facilitare l'idrogenazione, gli enzimi utilizzano una disposizione "intelligente" in cui la struttura organica circostante coopera con un atomo di metallo, come il ferro, avviando efficacemente la reazione.

"Dopo aver esaminato le idrogenasi, volevamo verificare se potevamo creare molecole artificiali che imitassero questi enzimi usando lo stesso tipo di materiali comuni, come ferro e manganese, " ha spiegato il dottor Abhishek Dubey, il primo autore di questo studio.

La sfida principale di questo studio è stata quella di costruire un telaio adeguato - chiamato ligando - attorno al manganese per indurre l'idrogenazione. Gli scienziati hanno ideato una struttura del ligando sorprendentemente semplice che ricorda gli enzimi idrogenasi naturali con una svolta dai tipici catalizzatori di fosfina.

"Nella maggior parte dei casi, i ligandi supportano il metallo senza prendere direttamente parte all'attivazione del legame chimico. Nel nostro caso, riteniamo che il ligando partecipi direttamente alla reazione, " ha detto il dottor Dubey.

Nella progettazione del ligando, la struttura di un ligando è strettamente legata alla sua efficienza. Il nuovo catalizzatore - il ligando e il manganese insieme - può eseguire più di 6, 000 fatturati in una reazione di idrogenazione, convertendo più di 6, 000 volte le molecole di CO2 prima di decadere. E questo nuovo ligando, il risultato di una collaborazione con un team internazionale tra cui il Prof. Carlo Nervi e il Sig. Luca Nencini dell'Università di Torino in Italia e il Dr. Robert Fayzullin dalla Russia, è semplice da produrre e stabile nell'aria.

Per adesso, il catalizzatore è in grado di trasformare l'anidride carbonica in acido formico, un conservante alimentare e un agente abbronzante ampiamente utilizzato, e formammide, che ha applicazioni industriali. Ma la versatilità di questo catalizzatore apre molte altre possibilità.

"Il nostro prossimo obiettivo è quello di utilizzare strutture così strutturalmente semplici, catalizzatori di manganese economici per mirare ad altri tipi di reazioni in cui la CO2 e l'idrogeno possono essere convertiti in utili sostanze chimiche organiche", ha concluso il prof. Khusnutdinova.