Armazenando elétrons do hidrogênio para reações químicas limpas

O composto proposto à base de irídio pode efetivamente armazenar "elétrons" do hidrogênio e mantê-los em estado sólido à temperatura ambiente por meses. Esses elétrons armazenados podem então ser liberados para catalisar reações de ciclopropanação que não produzem resíduos metálicos. Crédito:Universidade Kyushu/Seiji Ogo

Pesquisadores da Universidade de Kyushu desenvolveram um transportador de energia de hidrogênio para enfrentar alguns dos maiores obstáculos no caminho para uma economia sustentável de hidrogênio. Conforme explicado em um artigo publicado no JACS Au , este novo composto pode "armazenar elétrons" com eficiência do hidrogênio em estado sólido para uso posterior em reações químicas.

O hidrogénio é uma fonte promissora de energia limpa com muitas aplicações potenciais inexploradas na indústria e na vida quotidiana. Ao contrário dos combustíveis convencionais, o hidrogénio pode ser utilizado para gerar eletricidade sem produzir gases com efeito de estufa. Também pode ser utilizado em diversas reações químicas, como hidrogenação, ou seja, como fonte de íons hidreto ou elétrons de átomos de hidrogênio.

No entanto, armazenar e transportar hidrogénio no estado gasoso ou líquido é extremamente desafiador, exigindo equipamentos e sistemas de refrigeração caros.

Professor Seiji Ogo do WPI-Instituto Internacional de Energia Neutra em Carbono da Universidade de Kyushu (WPI-I² CNER) tem desenvolvido soluções inovadoras para estes problemas. No seu estudo mais recente, Ogo e o seu colega da Universidade de Kindai inspiraram-se na natureza para desenvolver um composto à base de irídio com propriedades peculiares e extremamente úteis.

"Temos explorado ativamente transportadores de energia de hidrogênio que podem ser facilmente sintetizados e usados como estão. Esses compostos são baseados na enzima hidrogenase encontrada na natureza, que pode catalisar o hidrogênio em prótons e elétrons à temperatura ambiente", explica Ogo. "Uma ideia central da nossa abordagem que levou a um avanço foi ver o hidrogênio não como uma fonte de íon hidreto ou átomo de hidrogênio com carga negativa, mas como elétrons."

Depois de examinar cuidadosamente muitas combinações de íons metálicos e ligantes orgânicos, a equipe de pesquisa criou um composto à base de irídio que, quando exposto ao hidrogênio, o incorpora ao centro metálico após perder um íon iodeto. Desta forma, o composto proposto pode efetivamente extrair e armazenar elétrons do hidrogênio.

Essas mudanças são prontamente reversíveis nas condições certas, e os elétrons armazenados podem ser facilmente extraídos e usados em reações químicas para sintetizar moléculas valiosas. Neste estudo, os pesquisadores se concentraram no uso dos elétrons armazenados no composto para catalisar reações de ciclopropanação.

Os ciclopropanos são moléculas com uma estrutura de anel de carbono de três membros e representam unidades estruturais importantes em vários medicamentos farmacêuticos e compostos orgânicos. No entanto, as ciclopropanações convencionais produziram grandes quantidades de resíduos metálicos como subprodutos. O transportador de energia do hidrogénio proposto contorna totalmente esta questão.

“As reações de ciclopropanação realizadas em nosso estudo usam hidrogênio em vez de metais como redutor e, portanto, não produzem resíduos metálicos. Esta é uma grande vantagem do composto proposto em relação às técnicas estabelecidas”, observa Ogo.

Notavelmente, este estudo também marca a primeira vez que uma reação entre hidrogênio e alcenos – hidrocarbonetos contendo uma ligação dupla de carbono – produz ciclopropanos em vez de alcanos muito mais simples.

Após extensos testes, a equipe descobriu que o portador de energia proposto pode capturar elétrons do hidrogênio e armazená-los por mais de três meses em estado sólido à temperatura ambiente.

Em trabalhos futuros, Ogo e colegas planejam se concentrar no desenvolvimento de um transportador de energia semelhante usando elementos do grupo do ferro, que são mais baratos e mais abundantes que o irídio. Ao promover colaborações entre a indústria e o meio académico, os seus próximos esforços terão como objectivo desenvolver soluções escaláveis para problemas práticos que rodeiam as futuras economias do hidrogénio.

“Acreditamos sinceramente que a presente conquista contribuirá para a concretização de uma sociedade neutra em carbono”, conclui Ogo.

Mais informações: Seiji Ogo et al, Ciclopropanação usando elétrons derivados de hidrogênio:reação de alcenos e hidrogênio sem hidrogenação, JACS Au (2024). DOI:10.1021/jacsau.4c00098
Fornecido pela Universidade Kyushu

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