Исследователи из Университета штата Орегон добились значительного прогресса в области «зеленой» химии, превратив углекислый газ, вызывающий парниковый эффект, в повторно используемые формы углерода посредством электрохимического восстановления.
Опубликованное в журнале Nature Energy исследование под руководством Чжэнсин Фэн из Инженерного колледжа OSU и его коллег из Южного университета науки и технологии в Китае и Стэнфордского университета описывает новый тип электрокатализатора.
Катализатор может избирательно стимулировать реакцию восстановления CO2, приводящую к желаемому продукту - в этом исследовании был выбран монооксид углерода. Катализатор - это все, что ускоряет скорость химической реакции, не поглощаясь реакцией.
«Сокращение выбросов углекислого газа полезно для чистой окружающей среды и устойчивого развития», - сказал Фэн, доцент кафедры химического машиностроения. «В отличие от традиционного восстановления CO2, в котором используются химические методы при высоких температурах с большим потреблением дополнительной энергии, электрохимические реакции восстановления CO2 могут быть выполняется при комнатной температуре с использованием жидкого раствора. А электроэнергия, необходимая для электрохимического восстановления CO2, может быть получена из возобновляемых источников энергии, таких как солнечная энергия, что обеспечивает полностью экологичные процессы».
Реакция восстановления означает, что один из вовлеченных атомов получает один или несколько электронов. При электрохимическом восстановлении диоксида углерода металлические нанокатализаторы продемонстрировали способность селективно восстанавливать CO2 до определенного углеродного продукта. Контроль наноструктуры имеет решающее значение для понимания механизма реакции и для оптимизации характеристик нанокатализатора при получении конкретных продуктов, таких как монооксид углерода, муравьиная кислота или метан, которые важны для других химических процессов и продуктов.
«Однако из-за множества возможных путей реакции для различных продуктов реакции восстановления диоксида углерода исторически имели низкую селективность и эффективность», - сказал Фэн. «Электрокатализаторы должны стимулировать реакцию с высокой селективностью, чтобы получить один определенный продукт, в нашем случае монооксид углерода. Несмотря на многочисленные усилия в этой области, прогресс был незначительным».
Фэн и его коллеги-исследователи попробовали новую стратегию. Они сделали фталоцианин никеля в качестве молекулярно-инженерного электрокатализатора и обнаружили, что он показал превосходную эффективность при высоких плотностях тока для преобразования CO2 в монооксид углерода в газодиффузионном электродном устройстве со стабильной работой в течение 40 часов..
«Чтобы понять механизм реакции нашего катализатора, моя группа в OSU использовала абсорбционную рентгеновскую спектроскопию для наблюдения за изменением катализатора во время реакционных процессов, подтверждая роль катализатора в реакции», - сказал Фэн.«Эта совместная работа демонстрирует высокоэффективный катализатор для экологически чистых процессов электрохимических реакций восстановления CO2. Она также проливает свет на механизм реакции нашего катализатора, который может направлять будущее развитие энергетики. устройства преобразования, поскольку мы работаем над экономикой с отрицательным выбросом углерода».
Национальный научный фонд, Министерство энергетики, Ключевая лаборатория катализа провинции Гуандун, Государственный университет штата Орегон, Национальный фонд естественных наук Китая и Совместная лаборатория фотонных, тепловых и электрических исследований Гуандун-Гонконг-Макао Компания Energy Materials and Devices поддержала это исследование.
Маою Ван и Маркос Лусеро из OSU были среди сотрудников, среди которых также были ученые из Йельского университета, Северо-Западного университета и Аргоннской национальной лаборатории.
Наряду с Фэн, Ян-Ган Ван и Юнье Лян из Южного университета науки и технологий являются соавторами исследования.