Исследовательская группа из Калифорнийского технологического института и Инженерной школы Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе продемонстрировала многообещающий способ эффективного преобразования углекислого газа в этилен - важное химическое вещество, используемое для производства пластмасс, растворителей, косметики и других важных продуктов во всем мире.
Ученые разработали наноразмерные медные провода с поверхностью особой формы, чтобы катализировать химическую реакцию, которая снижает выбросы парниковых газов и одновременно производит этилен - ценное химическое вещество. Вычислительные исследования реакции показывают, что формованный катализатор способствует производству этилена вместо водорода или метана. Исследование с подробным описанием этого достижения было опубликовано в журнале Nature Catalysis..
«Мы находимся на грани истощения запасов ископаемого топлива в сочетании с глобальными проблемами изменения климата», - сказал Ю Хуан, соавтор исследования и профессор материаловедения и инженерии в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе. «Разработка материалов, которые могут эффективно превращать парниковые газы в топливо с добавленной стоимостью и химическое сырье, является важным шагом к смягчению последствий глобального потепления при отказе от добычи все более ограниченных ископаемых видов топлива. использование."
В настоящее время мировое годовое производство этилена составляет 158 миллионов тонн. Большая часть этого превращается в полиэтилен, который используется в пластиковой упаковке. Этилен получают из углеводородов, таких как природный газ.
«Идея использования меди для катализа этой реакции существует уже давно, но ключ в том, чтобы ускорить скорость, чтобы она была достаточно быстрой для промышленного производства», - сказал Уильям А. Годдард III, соавтор исследования и Чарльз и Мэри Феркель, профессор химии, материаловедения и прикладной физики Калифорнийского технологического института. «Это исследование показывает твердый путь к этой отметке с потенциалом преобразования производства этилена в более экологичную отрасль с использованием CO2, который в противном случае попал бы в атмосферу».
Использование меди для запуска реакции восстановления двуокиси углерода (CO2) в этилен (C2H4) получил от него два удара. Во-первых, в ходе начальной химической реакции также образуются водород и метан, нежелательные для промышленного производства. Во-вторых, предыдущие попытки, которые привели к производству этилена, длились недолго, эффективность преобразования падала по мере того, как система продолжала работать.
Чтобы преодолеть эти два препятствия, исследователи сосредоточились на разработке медных нанопроводов с высокоактивными «ступенями», похожими на набор лестниц, расположенных в атомном масштабе. Один интригующий вывод этого совместного исследования заключается в том, что эта ступенчатая структура на поверхности нанопроволок оставалась стабильной в условиях реакции, вопреки общему мнению, что эти высокоэнергетические особенности сгладятся. Это является ключом как к долговечности системы, так и к селективности производства этилена вместо других конечных продуктов.
Команда продемонстрировала степень конверсии диоксида углерода в этилен более 70%, что намного эффективнее, чем в предыдущих проектах, которые при тех же условиях давали как минимум на 10% меньше. Новая система проработала 200 часов с небольшим изменением эффективности преобразования, что является большим достижением для катализаторов на основе меди. Кроме того, всестороннее понимание связи структура-функция продемонстрировало новую перспективу разработки высокоактивного и долговечного катализатора восстановления CO2 в действии.
Хуанг и Годдард часто сотрудничали в течение многих лет, при этом исследовательская группа Годдарда сосредоточилась на теоретических причинах, лежащих в основе химических реакций, в то время как группа Хуанга создавала новые материалы и проводила эксперименты. Ведущим автором статьи является Чунгсок Чой, аспирант факультета материаловедения и инженерии Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе Самуэли и сотрудник лаборатории Хуанга.