Исследователи Национального университета Йокогамы создали катализатор на основе распространённого кобальта, который при обычных условиях электролиза превращает более 99% пиридина в нужный продукт. Высокая эффективность системы связана не только с составом катализатора, но и с поддержанием определённого соотношения металлического кобальта и его оксида. Результаты работы опубликованы 29 сентября 2026 года в журнале Journal of the American Chemical Society, сообщает SciTechDaily.
В ходе реакции пиридин превращался в пиперидин — важное исходное соединение для синтетической и медицинской химии. Катализатор также избирательно гидрировал другие азотсодержащие вещества, включая хинолины, пиразины, нитрилы и нитроарены. Такой подход может снизить зависимость химической промышленности от редких и дорогих металлов платиновой группы.
Гидрирование широко применяют при производстве лекарств, пластмасс и других химических продуктов. В электрокаталитическом варианте необходимые эквиваленты водорода получают из воды с помощью электричества, не используя непосредственно газообразный водород. «A major challenge in electrocatalytic hydrogenation is replacing scarce platinum-group metals with earth-abundant catalysts without sacrificing activity or selectivity», — отметил профессор факультета инженерии Национального университета Йокогамы Махито Атобэ.
Катализатор изготовили из сульфата кобальта, после чего прокалили при 750 градусах Цельсия и испытали в электролизёре с анионообменной мембраной. Во время электролиза кобальт переходил между металлическим состоянием Co(0) и оксидом CoOx. Избыток любой из этих форм снижал результативность, тогда как наилучший эффект обеспечивало промежуточное соотношение компонентов.
С помощью рентгеновской спектроскопии непосредственно в процессе реакции, экспериментального анализа и теоретических расчётов учёные установили, что сочетание металлического кобальта с остаточным оксидом создаёт благоприятные условия для присоединения водорода к пиридину. Такая структура также подавляла нежелательные направления реакции, характерные для более редких катализаторов на основе родия. «We found that the catalytic performance of cobalt is determined not simply by its elemental composition, but by its dynamic oxidation state during electrolysis», — сказал Атобэ.
При длительном электролизе кобальт может чрезмерно восстанавливаться и выходить из оптимального состояния. Для стабилизации системы исследователи применили прерывистый режим подачи электричества, благодаря которому получили пиперидин в граммовых количествах с выходом 89% и сохранили стабильное напряжение в ячейке. В дальнейшем команда намерена проверить управление степенью окисления на других распространённых переходных металлах и использовать его в дополнительных синтетических реакциях; работа финансировалась Японским обществом содействия развитию науки и Японским агентством науки и технологий.