Природа давно доказала, что сера — великолепный катализатор для ключевых реакций, например, для присоединения или отщепления водорода от молекул. Но повторить эту сложную и хрупкую работу природных ферментов в промышленных масштабах химики не могли. Проблема была в том, чтобы управлять их капризной структурой. Теперь исследователям из Северо-Западного университета удалось найти изящное решение. Они встроили активные центры из металла и серы в металло-органические каркасы, или МОК.

Эти пористые материалы похожи на микроскопические губки с огромной площадью поверхности, идеально подходящие для захвата газов или молекул. Ученые разработали многостадийный метод, который превращает связи металл-хлор в металл-серу, не разрушая при этом хрупкую структуру каркаса. Чтобы в этом убедиться, они использовали мощные инструменты анализа, такие как рентгеноструктурный анализ. Оказалось, что МОК с серой значительно превосходят своих «бессерных» собратьев в реакциях гидрирования.

Подробности опубликованы в издании Nature Chemistry.

Ускорение катализа — это прямой путь к повышению эффективности, сокращению энергозатрат и снижению вреда для окружающей среды, — объясняет соавтор работы, эксперт по МОК Омар К. Фарха. — Быстрые реакции дают больший выход продукта за меньшее время. МОК — это идеальная площадка для изучения и улучшения катализаторов.

До нашего исследования почти не существовало примеров хорошо определенных металл-серных центров внутри пористых каркасов, таких как МОК, — добавляет ведущий автор Хаомяо Се. — Наша работа заполняет этот пробел. Мы создали что-то вроде устойчивой модели природного фермента.

Команда не остановилась на эксперименте. С помощью компьютерного моделирования они выяснили, почему сера так хороша. Она коренным образом меняет реакционную способность металла, облегчая активацию водорода и снижая энергетические барьеры реакции.

Наше исследование — это общий подход, который позволяет воспроизвести свойства металл-серных центров в стабильных материалах, решая давнюю проблему в химии, — говорит Фарха.

Пока что метод опробован только на двух типах металло-органических каркасов. Ученые планируют испытать его на других структурах, чтобы проверить универсальность подхода, а затем перейти к более сложным реакциям.

Сравнение эффективности катализаторов

Реальная польза этого исследования лежит в плоскости «зеленой» химии и устойчивого развития. Катализ — это сердце современной химической промышленности. Более эффективные катализаторы, работающие при меньших температурах и давлениях, позволяют:

• Снизить энергопотребление на производстве, что прямо ведет к уменьшению выбросов CO₂.
• Увеличить выход целевого продукта и минимизировать вредные побочные, делая процессы более чистыми и экономичными.
• Создавать новые материалы и лекарства более избирательно и безопасно.

В перспективе такие разработки могут привести к созданию новых систем для аккумуляции водорода как экологичного топлива или к более эффективным и дешевым методам очистки воды от стойких органических загрязнителей.

Основное ограничение работы, которое признают и сами авторы, — это узость проверки метода. Исследование демонстрирует успех лишь на двух семействах МОК и в относительно простой модельной реакции гидрирования. Настоящим испытанием будет доказать, что метод является по-настоящему универсальным и работает для:

1. Широкого спектра различных МОК с разной химией металлов и органических линкеров.
2. Более сложных и практически значимых химических превращений, где могут вмешиваться дополнительные факторы, например, присутствие примесей, отравляющих катализатор.

До практического внедрения еще предстоит пройти долгий путь масштабирования и тестирования в реальных промышленных условиях.

Ранее ученые ускорили получение водорода без платины.