Επιστήμονες από το Εθνικό Πανεπιστήμιο της Γιοκοχάμα ανακάλυψαν ότι ένας καταλύτης κοβαλτίου μπορεί να υδρογονώσει επιλεκτικά αζωτούχες ενώσεις, όταν ρυθμιστεί προσεκτικά η ισορροπία μεταξύ μεταλλικού κοβαλτίου και οξειδίου του κοβαλτίου. Τα ευρήματα δημοσιεύθηκαν στο περιοδικό Journal of the American Chemical Society.
Υδρογόνωση χωρίς αέριο υδρογόνο
Η συμβατική υδρογόνωση βασίζεται συνήθως σε αέριο υδρογόνο και πολύτιμα μέταλλα της ομάδας του πλατινόχρυσου. Αντίθετα, η ηλεκτροκαταλυτική υδρογόνωση παράγει ισοδύναμα υδρογόνου από το νερό με τη χρήση ηλεκτρικής ενέργειας.
«Μια μεγάλη πρόκληση στην ηλεκτροκαταλυτική υδρογόνωση είναι η αντικατάσταση των σπάνιων μετάλλων της ομάδας του πλατινόχρυσου με καταλύτες αφθόνων στοιχείων, χωρίς να θυσιάζεται η δραστικότητα ή η επιλεκτικότητα», δήλωσε ο καθηγητής Μαχίτο Ατόμπε.
Η σημασία της δυναμικής οξειδωτικής κατάστασης
Οι ερευνητές ετοίμασαν τον καταλύτη από θειικό κοβάλτιο και τον δοκίμασαν σε ηλεκτρολύτη μεμβράνης ανταλλαγής ανιόντων. Ο βελτιστοποιημένος καταλύτης μετέτρεψε την πυριδίνη σε πιπεριδίνη με απόδοση άνω του 99% σε συνθήκες περιβάλλοντος.
Η υψηλή αυτή απόδοση οφείλεται στη δυναμική οξειδωτική κατάσταση του κοβαλτίου κατά την ηλεκτρόλυση. Το κοβάλτιο μετατοπίζεται μεταξύ μεταλλικής μορφής Co(0) και οξειδίου CoOx. Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι η συνύπαρξη μεταλλικού κοβαλτίου και υπολειμματικού οξειδίου δημιουργεί ένα ευνοϊκό περιβάλλον για την προσρόφηση και την υδρογόνωση της πυριδίνης.
Σταθερότητα και μελλοντικές εφαρμογές
Για την αντιμετώπιση της υπερβολικής αναγωγής του καταλύτη κατά τη διάρκεια παρατεταμένης λειτουργίας, η ομάδα εφάρμοσε περιοδική ηλεκτρόλυση. Η στρατηγική αυτή διατήρησε την κατάλληλη ισορροπία Co(0)/CoOx, επιτρέποντας τη μετατροπή πυριδίνης σε κλίμακα γραμμαρίου με απόδοση 89%.
Ο καταλύτης υδρογόνωσε επιλεκτικά μια ευρεία γκάμα αζωτούχων ενώσεων, καταστέλλοντας ανεπιθύμητες διαδρομές αντιδράσεων. Η μελέτη αναδεικνύει ότι ο έλεγχος της χημικής κατάστασης ενός καταλύτη κατά τη λειτουργία του είναι εξίσου σημαντικός με την επιλογή του ίδιου του υλικού.