Все большее число ученых ищут быстрые и экономичные способы преобразования углекислого газа в ценные химические вещества и топливо.
Теперь международная группа исследователей представила новый подход, который использует серию каталитических реакций для электрохимического восстановления углекислого газа до метана, основного ингредиента природного газа, исключая промежуточный этап, обычно необходимый в процессе восстановления.
«Мы хотим поставлять возобновляемую электроэнергию и извлекать углекислый газ из атмосферы и преобразовывать его во что-то еще за один шаг», - сказал Бингджун Сюй, доцент кафедры химической и биомолекулярной инженерии Делавэрского университета.«Это ключевой вклад в наше видение».
Результаты команды были опубликованы в журнале Nature Communications 26 июля 2019 года. Двое авторов исследования работают в UD: Сюй и научный сотрудник Сяося Чанг. Другой автор исследования, Ци Лу из Университета Цинхуа в Китае, ранее был научным сотрудником кафедры химической и биомолекулярной инженерии UD.
В число авторов статьи также входят Хаочен Чжэнь из Университета Цинхуа, Цзингуан Чен из Колумбийского университета, Уильям Годдард III из Калифорнийского технологического института и Му-Дженг Ченг из Национального университета Ченг Кунг на Тайване.
Однокорпусная система
Чтобы преобразовать углекислый газ в ценное топливо, вы должны начать с поверхности, сделанной из меди, металла, известного тем, что он используется в монетах и электропроводке. Медь можно использовать для восстановления диоксида углерода до монооксида углерода, который затем может быть преобразован в такие вещества, как метан. Этот процесс относительно прост, но требует двух реакторов и дорогостоящих стадий разделения и очистки.
Исследовательская группа использовала расчеты и эксперименты для разработки однореакторной системы катализа. Добавьте углекислый газ, и произойдет серия химических реакций без необходимости останавливаться и добавлять дополнительные химикаты.
Для этого команда добавила к медным поверхностям специальные наноструктурированные серебряные поверхности, которые были разработаны Лу, когда он был научным сотрудником UD с 2012 по 2015 год. Серебряная часть притягивает молекулы окиси углерода, которые затем мигрируют к медной части и восстанавливаются до метана. Система дает более высокую концентрацию метана, чем системы, содержащие только медь.
«В этой работе основное новшество состоит в том, чтобы объединить эти два процесса в конфигурации, чтобы в одной системе могло происходить несколько стадий реакции», - сказал Сюй. «Мы систематически модифицировали состав, соотношение серебра и меди в структуре. Это ключ к селективности и способности сочетать реакции».
Предыдущие попытки объединить медь с драгоценным металлом таким образом не увенчались успехом, но группа разработала особый тип структуры электрода, который позволил системе. Исследование стало результатом совместных усилий исследовательских групп, занимающихся спектроскопией, вычислениями и изучением реакционной способности материалов.