В течение десятилетий ученые искали эффективные способы удаления избыточных выбросов углекислого газа из воздуха и их переработки в такие продукты, как возобновляемое топливо. Но процесс превращения двуокиси углерода в полезные химические вещества утомителен, дорог и расточителен, а потому экономически или экологически нецелесообразен.
Теперь открытие, сделанное исследователями из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли Министерства энергетики США (Berkeley Lab) и Объединенного центра искусственного фотосинтеза (JCAP), показывает, что переработка углекислого газа в ценные химические вещества и топливо может быть экономичной и эффективной - все через один медный катализатор.
Работа опубликована в выпуске журнала Nature Catalysis от 17 декабря.
Там, где происходит действие: активные сайты для конкретных продуктов
Когда вы берете кусок медного металла, он может казаться гладким на ощупь, но на микроскопическом уровне поверхность на самом деле неровная - и эти выпуклости ученые называют «активными участками», - сказал Джоэл Агер. исследователь JCAP, руководивший исследованием. Эйгер - штатный научный сотрудник отдела материаловедения лаборатории Беркли и адъюнкт-профессор кафедры материаловедения и инженерии Калифорнийского университета в Беркли.
В этих активных центрах происходит магия электрокатализа: электроны с поверхности меди взаимодействуют с углекислым газом и водой в последовательности шагов, которые превращают их в такие продукты, как этаноловое топливо; этилен, предшественник пластиковых пакетов; и пропанол, спирт, обычно используемый в фармацевтической промышленности.
С тех пор, как в 1980-х годах была обнаружена способность меди превращать углерод в различные полезные продукты, всегда предполагалось, что ее активные центры не специфичны для продукта - другими словами, вы можете использовать медь в качестве катализатора для производство этанола, этилена, пропанола или какого-либо другого химического вещества на основе углерода, но вам придется пройти через множество шагов, чтобы отделить нежелательные остаточные химические вещества, образующиеся на промежуточных стадиях химической реакции, прежде чем вы достигнете конечного пункта назначения - химического вещества. конечный продукт.
«Цель «зеленой» или устойчивой химии - получить желаемый продукт в процессе химического синтеза», - сказал Агер. «Вы не хотите отделять вещи, которые вам не нужны, от желаемых продуктов, потому что это дорого и нежелательно для окружающей среды. И эти расходы и отходы снижают экономическую жизнеспособность углеродного солнечного топлива».
Итак, когда Агер и соавтор Янвэй Лум, который был доктором философии Калифорнийского университета в Беркли. Студенты лаборатории Эйгера во время исследования исследовали каталитические свойства меди для проекта по производству солнечного топлива, они задались вопросом: «Что, если, подобно фотосинтезу в природе, мы могли бы использовать электроны из солнечных элементов для управления определенными активными участками медного катализатора». сделать поток чистого продукта из углеродного топлива или химиката?» Эйгер сказал.
Отслеживание происхождения химического вещества по его «паспорту»
Предыдущие исследования показали, что «окисленная» или ржавая медь является отличным катализатором для производства этанола, этилена и пропанола. Исследователи предположили, что если бы активные центры в меди были на самом деле специфичными для продукта, они могли бы проследить происхождение химических веществ по изотопам углерода, «во многом подобно паспорту со штампами, сообщающими нам, какие страны они посетили», - сказал Агер..
«Когда мы думали об эксперименте, мы думали, что это настолько неочевидная идея, что было бы безумием пытаться ее повторить», - сказал Агер. «Но мы не могли отказаться от этого, потому что мы также думали, что это сработает, поскольку наши предыдущие исследования с изотопами позволили нам открыть новые пути реакций».
Итак, в течение следующих нескольких месяцев Лам и Агер провели серию экспериментов, используя два изотопа углерода, углерод-12 и углерод-13, в качестве «штампов в паспорте». Углекислый газ был помечен углеродом-12, а окись углерода - ключевой промежуточный продукт в образовании углерод-углеродных связей - был помечен углеродом-13. Согласно своей методологии, исследователи пришли к выводу, что соотношение углерода-13 и углерода-12, обнаруженного в продукте, будет определять, из каких активных центров возник химический продукт.
После того, как Лам провел десятки экспериментов и использовал современные масс-спектрометрию и спектроскопию ЯМР (ядерный магнитный резонанс) в JCAP для анализа результатов, они обнаружили, что три продукта - этилен, этанол и пропанол - имели разные изотопные сигнатуры, показывающие, что они происходят из разных мест на катализаторе. «Это открытие мотивирует будущую работу по изоляции и идентификации этих различных мест», - сказал Лам. «Включение этих специфических для продукта участков в один катализатор может однажды привести к очень эффективному и избирательному производству химических продуктов», - сказал Лам.
Впереди более экологичные дни для химического производства
Новая методология исследователей - то, что Эйгер описывает как «простую химию с экологическим и экономическим уклоном» - является началом того, что, как они надеются, может стать новым началом для зеленого химического производства, где солнечный элемент может питать электроны. к определенным активным центрам в медном катализаторе для оптимизации производства этанольного топлива.
«Возможно, когда-нибудь эта технология позволит создать что-то вроде нефтеперерабатывающего завода, но работающего от солнца, удаляющего углекислый газ из атмосферы и создающего поток полезных продуктов», - сказал он.