Сера в наноструктурах повышает эффективность катализа в реакциях гидрирования

Постепенный пост-синтетический метод внедрения металл-серных активных центров в MOF. Автор: Nature Chemistry (2025). DOI: 10.1038/s41557-025-01876-y

Хотя природные данные указывают на важность серы как эффективного катализатора ключевых окислительно-восстановительных реакций, включая гидрирование (добавление водорода к молекуле) и дегидрирование (обратный процесс), химики долгое время сталкивались с трудностями при масштабировании из-за сложности и хрупкости ферментов.

Исследователи из Северо-Западного университета разработали новый метод интеграции металл-серных активных центров в металлоорганические каркасы (MOF). MOF с содержанием серы показали значительно более высокую каталитическую активность в реакциях гидрирования по сравнению с аналогами без серы, что открывает новые возможности для изучения создаваемых активных центров.

«Ускорение катализа критически важно для повышения эффективности, снижения энергозатрат и минимизации воздействия на окружающую среду, так как более быстрые реакции дают больший выход продукта за меньшее время», — пояснил эксперт по MOF и соавтор исследования Омар К. Фарха.

Исследование, опубликованное сегодня в журнале Nature Chemistry, расширяет существующие применения MOF в хранении газов, улавливании углерода, доставке лекарств и очистке воды, используя уникальные структурные свойства и высокую площадь поверхности этих материалов для ускорения катализа.

Ведущий автор исследования Хаомяо Се, проводивший эксперименты в Северо-Западном университете, отметил: «До этого почти не было примеров четко определенных металл-серных центров в пористых каркасах, таких как MOF. Наше исследование заполняет этот пробел, предлагая новый метод внедрения серосодержащих активных центров в MOF без нарушения их структуры».

MOF — это пористые кристаллические наноматериалы с высокой площадью поверхности, способные улавливать газы, пары и другие вещества, подобно тому как губка впитывает воду.

«Мы рассматриваем этот подход как универсальный способ воспроизведения характеристик металл-серных центров в стабильных твердых материалах, решая давнюю проблему в этой области», — добавил Фарха.

Для проверки эффективности своего многоступенчатого метода (химического преобразования металл-хлоридных связей в металл-гидроксидные, а затем в металл-сульфидные) команда использовала передовые структурные и спектроскопические инструменты, включая рентгеновскую дифракцию на монокристаллах и электронную дифракцию. Экспериментальные и вычислительные данные подтвердили, что сера способствует более эффективной активации водорода — ключевому фактору улучшенной каталитической активности MOF.

Соавтор исследования Лаура Гальярди, профессор химии и молекулярной инженерии в Чикагском университете, подчеркнула: «Работа демонстрирует, как серные лиганды принципиально меняют реакционную способность металлических центров, что может быть полезно в самых разных каталитических процессах».

Поскольку метод пока протестирован только на двух типах MOF, исследователи планируют расширить эксперименты на другие структурные варианты, а затем перейти к более сложным реакциям и субстратам.

Дополнительная информация: Haomiao Xie et al, Introducing metal–sulfur active sites in metal–organic frameworks via post-synthetic modification for hydrogenation catalysis, Nature Chemistry (2025). DOI: 10.1038/s41557-025-01876-y

Источник: Northwestern University