Безметальные электрокатализаторы селективного восстановления диоксида углерода до C1-строительных блоков: кинетика, механизм и структурный дизайн катализаторов

Цель проекта: создание и исследование электрокаталитической активности у нового класса безметальных молекулярных электрокатализаторов на основе органических соединений, проявляющих "настраиваемую" селективность (во всех случаях выше 70%) в реакциях электрохимического восстановления диоксида углерода до CO, метанола, формальдегида, муравьиной кислоты и синтез-газа (СO + H2), со значениями TOF для всех процессов не ниже 1000 с-1. Актуальность проблемы, предлагаемой к решению: C началом индустриальной эпохи человечество для производства энергии и товарной продукции стало активно использовать ископаемое топливо – сначала уголь, а затем нефть и газ. Совместно с массовой вырубкой лесов это привело к накоплению парниковых газов в атмосфере. Концентрация углекислого газа в ней за последние 250 лет увеличилась на треть. Сегодня человечество «производит» около 25 млрд. т углекислого газа ежегодно, что приводит к глобальному изменению климата нашей планеты. Таким образом, перед человечеством возникла проблема антропогенного изменения климата, решить которую возможно только путем совместного снижения выбросов парниковых газов в атмосферу Земли с возможностью “извлекать” углекислый газ из атмосферы и переводить его в ценные продукты. Одним из способов решения задачи быстрой утилизации лишнего СО2 является его использование в качестве строительного блока для синтеза различных органических соединений. Среди многочисленных подходов к использованию диоксида углерода в качестве C1-строительного блока, его электрокаталитическое восстановление представляет собой наиболее перспективный подход, поскольку позволяет получать такие продукты как CO (2e-), HCHO (4e-), CH3OH (6e-) и CH4 (8e-). Однако, высокое значение потенциала восстановления СО2 (Е0 = -1,97 В vs Ag/AgCl/KCl), а также низкая скорость его восстановления с неконтролируемой и низкой селективностью делает методы прямого электрохимического восстановления непригодными. Разработка эффективных каталитических систем способных к работе при низких значениях потенциала с высокой селективностью и скоростью является ключевой задачей для будущих электрохимических конверсионных технологий переработки CO2. Но, несмотря на существенный прогресс, достигнутый в последние годы в этой области, практическое использование разработанных технологий по-прежнему весьма ограничено тем, что до сих пор не получено достаточно стабильных молекулярных катализаторов, сочетающих высокие фарадеевские выходы со значительными значениями TON и TOF. Проблемы, связанные с получением подобных катализаторов, включают сложность проведения многоэлектронного восстановления для получения конечного продукта, относительную инертность молекулы углекислого газа, а также пока недостаточное понимание принципов молекулярного дизайна таких катализаторов. В представленном проекте планируется изучить новый класс катализаторов процесса электрохимического восстановления диоксида углерода – органические гетероциклические соли, на основе акридина, пиридина, 2,2'-бипиридина и 2,2′:6′,2″-терпиридинов. Электрокаталитические системы на основе органических производных акридина, пиридина, 2,2'-бипиридина и 2,2′:6′,2″-терпиридинов, являются удобной “молекулярной платформой” для разработки электрокатализаторов нового поколения, они сочетают в себе все необходимые требования к электрокатализаторам нового поколения: они устойчивы (стабильны во времени), толерантны к большому числу химических соединений и каталитическим ядам (серасодержащих соединений, СO и др.), синтетически доступны, имеют высокую скорость переноса электрона и возможность тонкой настройки их целевого окислительно-восстановительного потенциала. Таким образом, разработка катализаторов нового поколения, для электрохимического “зеленых” процессов получения ценных органических веществ, является важной и актуальной задачей. Предполагаемые (ожидаемые) результаты: В результате выполнения проекта будет разработана концепция направленного синтеза электрокатализаторов на основе органических соединений, обладающих “заданным” набором необходимых характеристик, для реализации процессов селективного получения C1 продуктов (метанол, формальдегид, муравьиная кислота, синтез - газ) из насыщенных растворов СО2, с высокими фарадеевскими выходами и минимальными значениями перенапряжения потенциала. Практическая значимость: Полученные результаты будут востребованы в топливно-энергетической отрасли, где водород используется как экологически чистое топливо, в химической отрасли, где синтез-газ широко используется как сырье. Создание на основе органических соединений эффективных каталитических систем позволит еще ближе подойти к проблеме переработки диоксида углерода, что приведет к уменьшению экологической нагрузки за счет “переработки” парниковых газов и получению экологически чистых (“зеленых”) ценных продуктов (метанол, эфиры и синтетические масла).