Ученые разработали катализатор на основе нанокомпозита, состоящего из оксида нескольких металлов и восстановленного оксида графена, который превращает углекислый газ в ценные химические продукты. Соединение позволило с 77% эффективностью получить органические молекулы, используемые при синтезе лекарств, ароматизаторов и парфюмерии. Благодаря этому разработка поможет одновременно замедлить накопление углекислого газа в атмосфере и производить химическое сырье. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда, опубликованы в The Journal of Physical Chemistry Letters.
Накопление углекислого газа в атмосфере способствует росту температуры у поверхности Земли. Хотя часть углекислого газа поглощается океанами и растениями, значительное его количество остается в воздухе. Поэтому ученые разрабатывают технологии связывания и переработки этого парникового газа в соединения, которые можно использовать в производстве, например метан, метанол или более сложные углеводороды, применяемые при синтезе лекарств, растворителей, ароматизаторов и других продуктов. Однако существующие катализаторы — вещества, ускоряющие такие превращения, — дорогие, недостаточно эффективные и имеют низкую избирательность, то есть производят много побочных продуктов.
Химики из Национального исследовательского университета «Высшая школа экономики» (Москва) с коллегами синтезировали катализатор для переработки углекислого газа в производные углеводородов. Он состоял из наночастиц на основе среднеэнтропийного оксида — сплава, содержащего железо, кобальт, никель и медь, — равномерно распределенных на поверхности восстановленного оксида графена.
Авторы растворили соли соответствующих металлов в воде, обработали их аммиаком, после чего добавили в смесь стабилизатор и нагрели до 180 °C. Полученный осадок прокалили при 800 °C, в результате чего сформировались наночастицы среднеэнтропийного оксида с желаемой кристаллической структурой. На заключительном этапе их нанесли на поверхность восстановленного оксида графена.
Авторы поместили катализатор в электродную ячейку — камеру, в которой углекислый газ может быть электрохимически восстановлен до органических соединений. Углекислый газ непрерывно подавали в такую ячейку для проведения превращения.
«Реакция протекала при атмосферном давлении и комнатной температуре, что делает превращение энергетически выгодным и простым для масштабирования. Такие мягкие условия выгодно отличают разработанную методику от альтернативных подходов к восстановлению углекислого газа, обычно требующих значительных энергетических затрат», — поясняет руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Ахмад Остовари Могаддам, PhD, доцент Университета ВШЭ.
Эксперимент показал, что катализатор преобразует углекислый газ в органические соединения с эффективностью 77%. Другие катализаторы, например на основе серебра и меди, которые используются для такой реакции, обычно приводят к образованию продукта (этилена) с эффективностью ниже 60%. При этом материал работал с довольно высокой избирательностью: 60% всех полученных в ходе реакции продуктов были представлены всего двумя соединениями — метилбутанолом и метилбутаноном. Эти вещества используются в химической промышленности при синтезе фармацевтических препаратов, ароматизаторов и растворителей, поэтому считаются ценным сырьем.
Авторы также доказали, что катализатор остается стабильным и не теряет свою активность в течение как минимум десяти часов. Это говорит о том, что его использование не будет связано с большими затратами на постоянный синтез и частую замену отработавших материалов.
«В дальнейшем мы планируем синтезировать новые высокоэнтропийные наночастицы и использовать их для реакции восстановления углекислого газа с получением ценных продуктов. Наша цель — еще больше увеличить эффективность и избирательность реакции по получению желаемых продуктов. Кроме того, мы планируем использовать наши катализаторы для новых применений, связанных с энергетикой, таких как литий-серные и цинково-воздушные аккумуляторные батареи, чтобы повысить производительность и срок службы этих аккумуляторов следующего поколения», — рассказывает Ахмад Остовари Могаддам.
В исследовании участвовали сотрудники Казанского (Приволжского) федерального университета (Казань), Южно-Уральского государственного университета (Челябинск), Ширазского университета (Иран), Научно-технологического университета Ирана (Иран), Университета Тебриза (Иран), Центра исследований материалов и энергии (Иран) и Каталонского института энергетических исследований (Испания).
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
