Juuri se oikea kumppani: Harvinainen ilokaasun metallikompleksi avaa uusia näkökulmia tehokkaan kasvihuonekaasun muuntamiseen vaarattomiksi aineiksi

Viimeisimmät tutkimukset ovat osoittaneet, että maailmanlaajuiset dityppioksidipäästöt ovat olleet merkittävässä kasvussa viimeisen neljän vuosikymmenen ajan, suurimpien päästölähteiden liittyessä maanviljelyyn. Vaikka dityppioksidia on ilmakehässä noin 1000 kertaa vähemmän kuin hiilidioksidia, on se kasvihuonekaasuna noin 300 kertaa hiilidioksidia tehokkaampi.

Luonnossa dityppioksidi muuntuu entsyymien avulla typeksi ja vedeksi, ja tätä prosessia voidaan matkia laboratorioympäristössä katalyyttisten metallikompleksien avulla. Dityppioksidin vuorovaikutuksesta metallien kanssa tiedetään kuitenkin varsin vähän, mikä on hämmentävää, sillä hiilidioksidin koordinaatioyhdisteitä tunnetaan runsaasti. Tässä suhteessa nämä kemialliset sukulaiset näyttävät käyttäytyvän hyvin eri tavalla, mitä on aiemmin selitetty hiilidioksidin ja dityppioksidin erilaisella kyvyllä sitoutua metalleihin.

“Yritimme löytää kirjallisuudesta syytä sille, miksi dityppioksidi sitoutuu metalleihin hiilidioksidia heikommin, mutta aiemmat tutkimukset johtivat lähinnä kehäpäätelmiin. Monessa selityksessä viitattiin dityppioksidin yksittäisiin ominaisuuksiin, mutta lähes samat ominaisuudet löytyvät myös hiilidioksidilta”, toteaa professori Heikki M. Tuononen Jyväskylän yliopistosta.

"Professori Tuonosen Killam-tutkijavierailun aikana päätimme ryhtyä tutkimaan asiaa tarkemmin valmistamalla hiilidioksidin ja dityppioksidin samanlaiset metallikompleksit, ja analysoimalla niitä kokeellisin ja teoreettisin menetelmin", kertoo professori Roland Roesler Calgaryn yliopistosta.

Harvinainen metallikompleksi on pysyvä jopa huoneenlämmössä

Kaksivuotisen tutkimusprojektin tulokset osoittivat, että dityppioksidi ja hiilidioksidi sitoutuvat metalleihin vastaavalla tavalla, dityppioksidi jopa hieman hiilidioksidia paremmin.

”Dityppioksidin kyky toimia hapettimena on pääosin, tai jopa kokonaan, syy sille, miksi sen metallikomplekseja tunnetaan vain muutamia”, sanoo Heikki Tuononen.

”Valitsemalla dityppioksidin kumppaniksi huonosti hapettuvan metallin, saimme valmistettua harvinaisen kompleksin, joka on pysyvä jopa huoneenlämpötilassa”, jatkaa tohtori Chris Gendy, joka oli osittain vastuussa projektiin liittyvästä kokeellisesta työstä.

Tutkimusprojektin tulokset eivät siis ainoastaan osoita, että dityppioksidi pystyy sitoutumaan riittävän vahvasti metalleihin, vaan ne myös auttavat suunnittelemaan uusia metallikomplekseja, joissa sitoutuminen olisi vielä vahvempaa. Tämä voisi mahdollistaa dityppioksidin laajemman käytön synteesikemiassa.

“Dityppioksidi on monin tavoin hyvä hapetin. Se on termodynaamisesti vahva, suhteellisen edullinen ja tuottaa sivutuotteena vain typpikaasua”, selittää Tuononen.

“Olisi hienoa, jos dityppioksidia voitaisiin käyttää laajemmin hapettimena metallikatalysoiduissa reaktioissa. Samanaikaisesti on kuitenkin hyvä pitää esillä sen rooli ilmakehän kemiassa”, arvioi Roland Roesler.

"Luonto hajottaa entsyymien avulla suuren osan tuottamastaan dityppioksidista ilmakehän kannalta vaarattomaan muotoon. Samaan tavoitteeseen tulisi pyrkiä myös ihmisten toiminnan aiheuttamien päästöjen kanssa kehittämällä uusia katalyytteja”, tutkijat toteavat yhteisenä päätelmänä.

Tutkimusartikkeli "Side‐on Coordination in Isostructural Nitrous Oxide and Carbon Dioxide Complexes of Nickel” (Braulio Michele Puerta Lombardi, Chris Gendy, Benjamin S. Gelfand, Guy M. Bernard, Roderick E. Wasylishen, Heikki M. Tuononen ja Roland Roesler) julkaistiin Angewandte Chemie International Edition -julkaisusarjassa statuksella “Very Important Paper” 17.2.2021. Linkki julkaisuun: https://doi.org/10.1002/anie.202011301

Projektin tutkimusresursseista ovat pääosin vastanneet Calgaryn, Jyväskylän ja Albertan yliopistot sekä Kanadan innovaatiosäätiö (CFI) ja Suomen hila- ja pilvilaskennan infrastruktuuri (FGCI). Projekti on saanut rahoitusta myös Euroopan tiedeneuvostolta (ERC) EU:n Horizon 2020 -ohjelman kautta (ERC-CoG #772510 H.M.T.) sekä Kanadan Luonnontieteiden ja tekniikan tutkimusneuvostolta (NSERC Canada) Discovey Grants -ohjelman kautta (DG#2019-07195 R.R. ja DG#2019-06816 R.E.W).

Lisätietoa:
Heikki M. Tuononen, puh. +358-40-805-3713, heikki.m.tuononen@jyu.fi
Roland Roesler, puh. +1-403-220-5366, roesler@ucalgary.ca