Come riportato dal team nella rivista Angewandte Chemie International Edition , gli atomi di azoto con una particolare configurazione elettronica svolgono un ruolo critico per il catalizzatore.

Etilene (etene, C₂ H₄ ) è un materiale di partenza essenziale per molti prodotti, tra cui il polietilene e altre materie plastiche. L'etilene viene prodotto industrialmente mediante cracking ad alta energia e rettifica di materie prime fossili.

La conversione elettrochimica della CO₂ verso l’etilene sarebbe una strada promettente per ridurre la CO₂ emissioni e allo stesso tempo risparmiare energia e risorse fossili.

CO₂ è molto stabile, il che rende difficile l'induzione della reazione. Con l'uso di elettricità e catalizzatori è attualmente possibile convertirlo in C₁ sostanze chimiche come metanolo e metano.

L’ulteriore sfida nella produzione di etilene è che deve formarsi un legame tra due atomi di carbonio. In precedenza ciò era stato ottenuto solo con catalizzatori a base di rame. L'elettrocatalisi senza metalli sarebbe vantaggiosa perché i metalli sono un fattore di costo e possono causare problemi ambientali.

Un team guidato da Chengtao Gong e Fu-Sheng Ke dell'Università di Wuhan, in Cina, ha ora sviluppato un elettrocatalizzatore privo di metalli per la conversione di CO₂ all'etilene. Il catalizzatore è basato su una struttura organica covalente (COF) contenente azoto.

I COF sono una nuova classe di materiali porosi, cristallini, puramente organici con topologia definita. A differenza delle strutture metallo-organiche (MOF), non richiedono ioni metallici per tenerle insieme. Le dimensioni dei pori e le proprietà chimiche possono essere regolate su un'ampia gamma attraverso la selezione degli elementi costitutivi.

Il nuovo COF contiene atomi di azoto con una speciale configurazione elettronica (sp ³ ibridazione) come centri cataliticamente attivi. Questi sp ³ i centri di azoto legano i singoli elementi costitutivi in ​​una struttura attraverso un collegamento amminico (due gruppi amminici legati a un atomo di carbonio).

A differenza dei COF con un classico legame imminico (–C=N–), i COF aminali hanno requisiti rigorosi per quanto riguarda le lunghezze e gli angoli dei legami tra i componenti costitutivi, il che fa sì che le strutture si formino attraverso chiusure ad anello.

I ricercatori hanno trovato una combinazione adatta utilizzando la piperazina (un anello a sei membri composto da quattro atomi di carbonio e due di azoto) e un elemento costitutivo costituito da tre anelli di carbonio aromatici a sei membri. Se utilizzati come elettrodi, i nuovi COF hanno dimostrato elevata selettività e prestazioni (efficienza di Faraday fino al 19,1%) per la produzione di etilene.

Il successo dei COF aminali è dovuto all'elevata densità di sp ³ attivi -centri di azoto, che catturano entrambi in modo molto efficace la CO₂ e trasferire elettroni. Ciò si traduce in un'alta concentrazione di intermedi eccitati che possono subire accoppiamento C–C.

Al contrario, una varietà di COF legati all'immina, che contengono sp ² azoto invece di sp ³ , sono stati testati in modo simile e non hanno prodotto etilene. Ciò dimostra l'importanza di una corretta configurazione elettronica per la riduzione elettrochimica della CO₂ all'etilene.