По словам исследователей из Пенсильванского университета, процесс преобразования двуокиси углерода, парникового газа, в метанол, топливо и строительный материал для широкого круга повседневных материалов, значительно усовершенствовался.
Концентрации углекислого газа в атмосфере растут, и изменение климата становится всеобщей проблемой, требующей глобальных усилий по сокращению выбросов углекислого газа. Один из подходов заключается в использовании диоксида углерода в качестве источника углерода в реакциях с водородом, где водород производится из воды с использованием возобновляемых источников энергии, а в ходе реакции синтезируется метанол. Это поможет сократить выбросы углекислого газа и снизить зависимость от ископаемого топлива.
Исследователи усовершенствовали процесс преобразования диоксида углерода в метанол, который содержит четыре части водорода, одну часть кислорода и одну часть углерода, разработав новый катализатор, в котором используется особый состав палладия и меди. Теоретическая и экспериментальная работа, недавно опубликованная в ACS Catalysis, является результатом многолетних комплексных экспериментальных и вычислительных исследований, проведенных в партнерстве с Даляньским технологическим университетом в Китае совместно с Даляньским совместным центром энергетических исследований штата Пенсильвания. Совместное исследование Penn State и Dalian выявило преимущества сочетания двух металлов в качестве катализатора.
Ключевым фактором в преобразовании диоксида углерода в метанол является поиск хорошего катализатора, позволяющего производить метанол с высокой селективностью и эффективной скоростью. В диапазоне атомного отношения палладия к меди от 0,3 до 0.4, сочетание палладия и меди давало наиболее эффективную конверсию метанола из диоксида углерода с использованием наночастиц катализатора, диспергированных на пористом материале носителя, что увеличивало площадь поверхности катализатора. С катализатором размером с грецкий орех площадь внутренней поверхности катализатора покрывает площадь футбольного поля.
Исследователи обнаружили, что новые составы, использующие точное атомное соотношение двух металлов, увеличили скорость образования метанола в три раза по сравнению с одним только палладием и в четыре раза по сравнению с одной медью, что представляет собой значительное улучшение по сравнению с предыдущими методами.
Institute сравнил этот процесс с кошкой, ловящей мышь на поверхности катализатора. Чтобы произошла конверсия, нужен и углекислый газ - кот - и водород - мышь. Но нужно создать идеальные условия, чтобы кошка успешно поймала мышь. Если кошка не может добраться до мыши или условия замедляют ее, у кошки будет меньше успеха.
Это работает, потому что катализатор, объединяющий два металла, может не только снизить энергетические потребности для ускорения реакции двуокиси углерода и водорода, но и изменить пути реакции для получения более желаемого продукта с более высокой энергоэффективностью.
«Обычные исследования сосредоточены на меди, но они не дают эффективных результатов», - сказал Сонг. «То же самое и с палладием. Но объединение палладия и меди создает уникальную структуру поверхности, которая демонстрирует особую селективность в отношении образования метанола из углекислого газа. Это исследование дает фундаментальное представление о синергетических эффектах совместного использования этих двух металлов».
Чтобы создать метанол, исследователи закачивали водород и углекислый газ в герметичную камеру сосуда реактора, наполненного катализатором, и нагревали содержимое до температуры от 356 до 482 градусов по Фаренгейту. Максимальная конверсия диоксида углерода в метанол составляет около 24 процентов, однако непрореагировавшие диоксид углерода и водород будут рециркулироваться и возвращаться в емкость в промышленных условиях, как это делается при обычном синтезе метанола с использованием монооксида углерода и водорода.
Процесс гидрирования диоксидом углерода работает путем разложения воды для создания газообразного водорода с использованием возобновляемых источников энергии, который затем связывается с диоксидом углерода на поверхности катализатора для создания метанола. Сонг сказал, что, поскольку их катализатор способствует высокой селективности, больший процент продуктов идет на создание метанола.
Метанол используется для создания многих материалов и топлива, от клеев и фанерных полов до бутылок с водой, устойчивых к морщинам рубашек и дизельного топлива. Это также химическое вещество, используемое при производстве антифриза, жидкости для омывания ветрового стекла, растворителей и других продуктов. Новые катализаторы для преобразования двуокиси углерода в ряд промышленных химикатов, топлива и материалов, таких как пластмассы, активно разрабатываются Сун через Объединенный центр энергетических исследований штата Пенсильвания и Даляня.
Сонг сказал, что эффективное создание топлива и промышленных химикатов из углекислого газа с использованием возобновляемых источников энергии считается Святым Граалем для борьбы с изменением климата, потому что это топливо даже лучше, чем углеродно-нейтральное или возобновляемое топливо. Этот процесс по существу преобразует парниковые газы в топливо, которое при сгорании выделяет углекислый газ. Этот процесс в сочетании с улавливанием углекислого газа из окружающей среды сводится к повторному использованию углекислого газа, а не к его созданию или предотвращению его образования.
«Наша нынешняя энергетическая система в значительной степени зависит от углеродных ископаемых источников энергии», - сказал Сонг. «Даже возобновляемые виды топлива, такие как биомасса, биогаз и органические отходы, все они основаны на углероде. Но в будущем, откуда берется углерод? энергетического цикла, а затем стабилизируем концентрацию углекислого газа в атмосфере. Вот почему я этим увлечен."
В исследовательскую группу входят Сяова Ни и Синьвэнь Го, профессора химического машиностроения Даляньского технологического университета; Сяо Цзян, научный сотрудник с докторской степенью, работающий с Сун; и Майкл Джаник, профессор химического машиностроения, штат Пенсильвания.