2013-01-30

日光驅動的二氧化碳固定

Light and air: Sunlight-driven CO2 fixation
http://phys.org/news/2012-11-air-sunlight-driven-co2-fixation.html

November 19, 2012

(Phys.org) -- 再生能源(尤其是日光)的使用增加,受到高度歡迎,因為工業生產要盡可能的達到碳中和(CO2-neutral)。若在一種由太陽能驅動的系統中,能把 CO2 當原料用,就有可能同時滿足這二種期望。日本研究者現在於 Angewandte Chemie 期刊中,引介了一種採用此類過程的方法。他們的方法是基於一種類似自然光合作用的原理。

把二氧化碳當成一種碳來源使用,也許是一種具有吸引力的、能減少石化原料消耗並改善化學產品碳足跡(CO2 footprint)的選項。擋在我們面前的最大障礙是二氧化碳分子的高度穩定性。要跨越此障礙的可能性之一,是利用非常高能的分子與 CO2 反應。在綠色植物內的光合作用過程是此方法如何運作的範例之一。此過程在二個階段內進行:光反應與暗反應。在光反應中,光合作用系統捕捉光子,並以高能化學化合物的形態儲存其能量。這些高能化合物接著用來驅動暗反應。暗反應將二氧化碳當成一種碳來源以合成複雜的糖分子。

研究者與京都大學的村上正浩(Masahiro Murakami)教授合作,利用相同的原理來設計他們的過程。在此例中,第一階段也是一種由光驅動的反應。紫外光的反應能將起始原料,一種 α-methylamino ketone(α-甲基胺基酮),轉換成一種非常高能的分子。如同研究者所發現的,這利用日光也有效。一種產生閉環(ring closure)的分子內重排(intramolecular rearrangement)導致一種包含一個環的分子,那由三個碳原子及一個氮原子所構成。這類型的「環」處於很大的應變(strain)下,而且相對來說較具反應性。這種「光反應」與一種「暗反應」耦合:在這個接下來的光獨立(light-independent)階段中,高能化合物在鹼基存在的情況下捕捉 CO2。這形成一種 cyclic amino-substituted carbonic acid diester(環狀胺取代碳酸二酯),身為化學合成的一種中間物(intermediate,中間體),那很有用。

此反應方案引人注目的地方在於:這種技術很簡單。在多雲的日子中,散射的日光就足以驅動此過程。第二階段可在相同的反應容器中進行,只需添加鹼基並加熱到攝氏 60 度即可。產率為 83%。此外,這個過程非常具適應性,因為能把各式各樣的 α-methylamino ketones 當起始原料用。

※ 相關報導:

* Solar-Driven Incorporation of Carbon Dioxide into α-Amino Ketones
http://dx.doi.org/10.1002/anie.201206166
Dr. Naoki Ishida, Yasuhiro Shimamoto,
Prof. Dr. Masahiro Murakami
Angewandte Chemie International Edition
Volume 51, Issue 47, pages 11750–11752, November 19, 2012
doi: 10.1002/anie.201206166
* 陽光將二氧化碳轉變成甲烷
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