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Il cambiamento climatico è un problema ambientale globale. Il principale fattore che contribuisce al cambiamento climatico è la combustione eccessiva di combustibili fossili. Questi producono anidride carbonica (CO2), un gas serra che contribuisce al riscaldamento globale. Alla luce di ciò, i governi di tutto il mondo stanno sviluppando politiche per limitare tali emissioni di carbonio. Tuttavia, la semplice riduzione delle emissioni di carbonio potrebbe non essere sufficiente. È necessario controllare anche le emissioni di anidride carbonica.
A questo proposito, gli scienziati propongono la conversione chimica dell'anidride carbonica in composti a valore aggiunto come il metanolo e l'acido formico (HCOOH). Per produrre quest'ultimo, è necessaria una fonte di ioni idruro (H-), equivalenti a un protone e due elettroni. Ad esempio, la coppia di ossidoriduzione del nicotinammide adenina dinucleotide (NAD+/NADH) è un generatore e un serbatoio di idruro (H-) nei sistemi biologici.
In questo contesto, un team di ricercatori guidato dal professor Hitoshi Tamiaki dell'Università di Ritsumeikan, in Giappone, ha sviluppato un nuovo metodo chimico che utilizza complessi NAD+/NADH simili al rutenio per ridurre la CO2 ad HCOOH. I risultati del loro studio sono stati pubblicati sulla rivista ChemSusChem il 13 gennaio 2023.
Il professor Tamiaki spiega la motivazione della sua ricerca. "È stato recentemente dimostrato che il complesso di rutenio con il modello NAD+, [Ru(bpy)2(pbn)](PF6)2, subisce una riduzione fotochimica a due elettroni. Ciò ha dato origine al corrispondente complesso di tipo NADH [Ru(bpy) )2 (pbnHH)](PF6)2 in presenza di trietanolammina in acetonitrile (CH3CN) sotto luce visibile", ha affermato.
"Inoltre, il gorgogliamento di CO2 in una soluzione di [Ru(bpy)2(pbnHH)]2+ rigenera [Ru(bpy)2(pbn)]2+ e produce ioni formiato (HCOO-). Tuttavia, la sua velocità di produzione è piuttosto bassa. Pertanto, la conversione di H- in CO2 richiede un sistema catalitico migliorato."
Pertanto, i ricercatori hanno studiato vari reagenti e condizioni di reazione che contribuiscono a ridurre le emissioni di anidride carbonica. Sulla base di questi esperimenti, hanno proposto la riduzione a due elettroni indotta dalla luce della coppia redox [Ru(bpy)2(pbn)]2+/[Ru(bpy)2(pbnHH)]2+ in presenza di 1,3-dimetil-2-fenil-2,3-diidro-1H-benzo[d]imidazolo (BIH). Inoltre, l'utilizzo di acqua (H2O) in CH3CN al posto della trietanolammina ha ulteriormente migliorato la resa.

Inoltre, i ricercatori hanno anche studiato i potenziali meccanismi di reazione utilizzando tecniche come la risonanza magnetica nucleare, la voltammetria ciclica e la spettrofotometria UV-visibile. Sulla base di ciò, hanno ipotizzato: In primo luogo, in seguito alla fotoeccitazione di [Ru(bpy)2(pbn)]2+, si forma il radicale libero [RuIII(bpy)2(pbn•-)]2+*, che subisce la seguente riduzione: BIH Ottiene [RuII(bpy)2(pbn•-)]2+ e BIH•+. Successivamente, H2O protona il complesso di rutenio per formare [Ru(bpy)2(pbnH•)]2+ e BI•. Il prodotto risultante viene disproporzionato per formare [Ru(bpy)2(pbnHH)]2+ e ritorna a [Ru(bpy)2(pbn)]2+. Il primo viene quindi ridotto da BI• per generare [Ru(bpy)(bpy•−)(pbnHH)]+. Questo complesso è un catalizzatore attivo che converte H- in CO2, producendo HCOO- e acido formico.
I ricercatori hanno dimostrato che la reazione proposta ha un elevato numero di conversione (il numero di moli di anidride carbonica convertite da una mole di catalizzatore) – 63.
I ricercatori sono entusiasti di queste scoperte e sperano di sviluppare un nuovo metodo per convertire l'energia (la luce solare in energia chimica) al fine di produrre nuovi materiali rinnovabili.
“Il nostro metodo ridurrà anche la quantità totale di anidride carbonica sulla Terra e contribuirà a mantenere il ciclo del carbonio. Pertanto, potrà ridurre il riscaldamento globale futuro”, ha aggiunto il professor Tamiaki. “Inoltre, le nuove tecnologie di trasporto degli idruri organici ci forniranno composti di inestimabile valore.”
Ulteriori informazioni: Yusuke Kinoshita et al., Trasferimento di idruro organico indotto dalla luce a CO2** mediato da complessi di rutenio come modelli per le coppie redox NAD+/NADH, ChemSusChem (2023). DOI: 10.1002/cssc.202300032

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