Исследователи нашли новый способ преобразования углекислого газа в полезный источник топлива.
Концентрация углекислого газа в нашей атмосфере неуклонно растет, и многие ученые считают, что это оказывает воздействие на окружающую среду. Недавно ученые искали способы вернуть часть углерода в атмосферу и потенциально превратить его в пригодное для использования топливо, что стало бы святым Граалем для устойчивого производства энергии.
В недавнем исследовании Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США (DOE) ученые использовали солнечный свет и катализатор, в основном состоящий из меди, для преобразования углекислого газа в метанол. Жидкое топливо, метанол, дает промышленности возможность найти дополнительный источник для удовлетворения энергетических потребностей Америки.
В исследовании описывается фотокатализатор, изготовленный из оксида меди (Cu2O), полупроводника, который при воздействии света может производить электроны, которые становятся доступными для реакции или восстановления. много соединений. После возбуждения электроны оставляют положительную дырку в низкоэнергетической валентной зоне катализатора, которая, в свою очередь, может окислять воду.
«Этот фотокатализатор особенно интересен, потому что он имеет одну из самых отрицательных зон проводимости, которые мы использовали, а это означает, что электроны имеют больше потенциальной энергии, доступной для проведения реакций», - сказал выдающийся научный сотрудник Аргонны Тиджана Радж, автор исследования.
Предыдущие попытки использовать фотокатализаторы, такие как диоксид титана, для восстановления диоксида углерода, как правило, приводили к созданию целой мешанины различных продуктов, от альдегидов до метана. Радж объяснил, что недостаточная селективность этих реакций затрудняет выделение пригодного для использования топливного потока.
«Углекислый газ - такая стабильная молекула, и он образуется в результате сжигания практически всего, поэтому вопрос в том, как нам бороться с природой и перейти от действительно стабильного конечного продукта к чему-то полезному и богатому энергией», - сказал Радж..
Идея преобразования углекислого газа в полезную энергию исходит из единственного места в природе, где это происходит регулярно. «У нас была идея скопировать фотосинтез, который использует углекислый газ для производства пищи, так почему бы нам не использовать его для производства топлива», - сказал Радж. «Это оказывается сложной проблемой, потому что для производства метанола нужен не один электрон, а шесть».
Переключившись с диоксида титана на оксид меди, ученые разработали катализатор, который не только имел более отрицательную зону проводимости, но и был бы значительно более селективным с точки зрения его продуктов. Эта селективность обусловлена не только химическим составом закиси меди, но и геометрией самого катализатора.
«С нанонаукой у нас появляется возможность вмешиваться в поверхности, чтобы создавать определенные горячие точки или изменять структуру поверхности, заставлять напряжение или определенные участки поверхности подвергаться воздействию иначе, чем в массе», - сказал Радж.
Из-за этого «вмешательства» Радж и аргоннский исследователь с докторской степенью Йимин Ву, ныне доцент Университета Ватерлоо, сумели создать катализатор с небольшим раздвоением личности. Микрочастицы оксида меди, которые они разработали, имеют разные грани, как алмаз имеет разные грани. Многие из граней микрочастицы инертны, но одна очень активна в восстановлении диоксида углерода до метанола.
По словам Раджа, причина такой активности этой грани заключается в двух уникальных аспектах. Во-первых, молекула углекислого газа связывается с ним таким образом, что структура молекулы фактически слегка изгибается, уменьшая количество энергии, необходимое для восстановления. Во-вторых, молекулы воды также поглощаются очень близко к тому месту, где поглощаются молекулы углекислого газа.
«Чтобы производить топливо, вам нужно не только восстановить углекислый газ, но и окислить воду», - сказал Радж. «Кроме того, адсорбционная конформация в фотокатализе чрезвычайно важна - если у вас есть одна молекула углекислого газа, поглощенная одним способом, она может оказаться совершенно бесполезной. Но если она имеет изогнутую структуру, она снижает энергию, которую необходимо восстановить».
Аргоннские ученые также использовали сканирующую флуоресцентную рентгеновскую микроскопию в Аргоннском усовершенствованном источнике фотонов (APS) и просвечивающую электронную микроскопию в Центре наноразмерных материалов (CNM), чтобы выявить природу ограненных микрочастиц оксида меди. И APS, и CNM являются пользовательскими объектами Управления науки Министерства энергетики США.