CO2 jest związkiem bardzo stabilnym chemicznie, dlatego trudno go aktywować i skłonić do reakcji w łagodnych warunkach. Metan (CH4) również jest mało reaktywny, ponieważ ma silne wiązania C–H. Łatwo go spalić, ale znacznie trudniej selektywnie przekształcić w bardziej wartościowe produkty bez pełnego utlenienia. Z tego powodu jednoczesne zagospodarowanie CO2 i CH4 w kierunku użytecznych związków należy do trudniejszych problemów współczesnej katalizy.

W najnowszej pracy w Applied Catalysis B: Environment and Energy naukowcy z Uniwersytetu Jagiellońskiego we współpracy z kolegami z Czech i Francji proponują reakcję, w której metan jest źródłem atomów wodoru, a CO2 dostarcza atomów węgla i tlenu. W obecności odpowiedniego katalizatora te dwa gazy mogą zostać przekształcone w tlenowe związki organiczne o wartości przemysłowej, takie jak metanol i kwas octowy, zamiast szkodzić klimatowi w formie gazów cieplarnianych.

Kluczem jest zeolit o nazwie ferrieryt (FER). Zeolity to minerały o bardzo uporządkowanej, porowatej strukturze. Można myśleć o nich jak o kamiennych gąbkach z kanałami i wnękami o określonych rozmiarach. W tych wnękach da się umieścić atomy metali, które pełnią rolę aktywnych centrów katalitycznych. W tym badaniu takim metalem jest żelazo, a katalizator nazywa się Fe-FER. Kluczowa teza badaczy jest prosta: katalizator musi być dwufunkcyjny. Z jednej strony ma umożliwić reakcje utleniania i zmiany stanu żelaza (to część redoks), a z drugiej ma zapewnić miejsca w strukturze (tzw. miejsca kwasowe Bronsteda), potrzebne do kolejnych etapów wytwarzania wartościowych produktów.

Aktywne miejsce katalityczne nie ma jednej, stałej postaci. W zeolicie FER atomy żelaza mogą zmieniać swoją lokalną koordynację i położenie w kanale. W obecności CO2 przemieszczają się między sąsiednimi pozycjami w obrębie pierścieni tworzących kanały, a jednocześnie zmienia się ich stan elektronowy (np. stopień utlenienia i rozkład ładunku). Dzięki tym zmianom atom żelaza w centrum aktywnym może lepiej uczestniczyć w kolejnych etapach reakcji.

Naukowcy pokazują to kilkoma niezależnymi metodami. Widzą produkty i pośrednie etapy reakcji na żywo, w trakcie działania katalizatora (in situ FTIR–MS), a jednocześnie obserwują stan żelaza i jego otoczenie dzięki spektroskopii Mössbauera oraz dyfrakcji neutronowej. Równolegle prowadzą obliczenia wspierane modelami uczenia maszynowego (potencjały międzyatomowe), które pomagają wskazać, jakie formy pośrednie są najbardziej prawdopodobne.

Co z tego wynika? Fizycy i chemicy proponują sekwencję zdarzeń, która tłumaczy logikę katalizatora. Najpierw CO2 oddziałuje z centrami żelaza i sprzyja powstaniu pośrednich form w rodzaju (wodoro)węglanów. Zmieniają one lokalne otoczenie atomu żelaza w zeolicie i przesuwają go do konfiguracji, w której łatwiej zachodzi aktywacja metanu. W tak przygotowanym centrum metan może zostać przekształcony do metanolu. Następnie metanol, na sąsiednich miejscach kwasowych Bronsteda w zeolicie, może ulegać karbonylacji (wprowadzeniu grupy karbonylowej CO do cząsteczki) i prowadzić do powstawania kwasu octowego. Przy wyższych temperaturach część metanolu zamiast tego przechodzi w reakcje typu MTO, co zwiększa udział olefin, takich jak etylen i propen. W części podsumowującej swojego artykułu autorzy wskazują, że metanol pojawia się jako pierwszy (około 170 st. C), a kwas octowy później (około 230 st. C). Powyżej 300 st. C coraz istotniejsze stają się przemiany prowadzące do olefin.

Wyniki prac dowodzą, że jeśli chcemy przerabiać stabilne cząsteczki (CO2 i CH4) na użyteczne chemikalia, musimy rozumieć katalizator jako dynamiczny układ, który dopasowuje się do reagujących cząsteczek. Im lepiej umiemy uchwycić te drobne zmiany - przesunięcie atomu żelaza, lekkie utlenienie, pojawienie się pośredniego węglanowego etapu - tym rozsądniej możemy projektować materiały, które będą działały selektywnie (czyli produkowały to, co chcemy), przy łagodniejszych warunkach i z większą kontrolą reakcji.

Z perspektywy ekologii ważne jest to, że praca pokazuje możliwą ścieżkę chemicznego wykorzystania dwóch gazów cieplarnianych: CO₂ i metanu. Zamiast traktować je wyłącznie jako odpady, można myśleć o nich jak o surowcach do wytwarzania związków o wartości przemysłowej, co w dłuższym horyzoncie może wspierać gospodarkę obiegu zamkniętego w chemii. Trzeba jednak pamiętać, że bilans środowiskowy zależy od warunków procesu: źródła energii, czystości strumieni gazów i tego, czy metan nie ucieka po drodze do atmosfery. Jeśli te elementy są dopracowane, takie katalityczne procesy mogą jednocześnie ograniczać emisje i zmniejszać presję na surowce kopalne w produkcji podstawowych chemikaliów.