Уровни содержания углекислого газа в атмосфере продолжают расти, и во всём мире идёт поиск доступного способа расщепления молекул CO2 для получения чего-нибудь полезного. Исследователи из Брауновского университета (Brown University) нашли способ тонкой настройки медного катализатора для получения из CO2 сложных углеводородов — продуктов C2+ — с исключительной эффективностью.
В опубликованных в Nature Communications материалах исследования говорится о катализаторе, который позволяет производить соединения C2+ с выходом по току до 72% (речь о том, насколько эффективно электрическая энергия используется для преобразования углекислого газа в продукты химической реакции).
Это намного лучше, чем заявленная эффективность других катализаторов для реакций C2+, заявляют авторы. Более того — процесс подготовки катализатора может быть довольно легко масштабирован до промышленного уровня, что делает возможным использование нового катализатора в крупномасштабных проектах по переработке CO2.
«Описаны всевозможные способы обработки меди, которые могли бы способствовать производству этих C2+ с различной эффективностью, — говорит профессор Тайхас Палмор (Tayhas Palmore), соавтор статьи, первый автор которой — её студент Тэхи Ким (Taehee Kim). — То, что проделал Тэхи, было набором экспериментов, чтобы выяснить, что каждая из стадий обработки делает с катализатором с точки зрения его реакционной способности, что указало путь к оптимизации катализатора для производства мультиуглеродных соединений».
Палмор отмечает, что в последние годы достигнуты большие успехи в разработке медных катализаторов для синтеза одноуглеродных молекул. Например, Палмор и её команда недавно разработали медный вспененный катализатор, который может эффективно производить муравьиную кислоту, важный одноуглеродный химикат. Но растёт потребность в реакциях, которые помогут производить и продукты C2+.
«В конечном счёте, каждый стремится увеличить количество углерода в продукте до уровня производства более высокоуглеродистого топлива и химических веществ», — говорит Палмор.
Предыдущие исследования показали, что галогенирование меди (покрытие медной поверхности атомами хлора, брома или йода в присутствии электрического потенциала) может повысить селективность катализатора по отношению к продуктам C2+. Ким экспериментировал с различными методами галогенирования, сосредоточив внимание на том, какие галогенные элементы и какие электрические потенциалы дают катализаторы с наилучшей производительностью в реакции CO2 — C2+. Он нашёл оптимальный рецепт, показывающий выход по току от 70,7% до 72,6%, что намного выше, чем у любого другого медного катализатора.
Что же делает катализатор таким хорошим? Образцы с наибольшей эффективностью имели большое количество поверхностных дефектов — крошечных трещин в галогенированной поверхности. Эти «дефектные» участки, по-видимому, являются ключом к высокой селективности катализаторов по отношению к одному из продуктов C2+ — этилену, который далее может быть полимеризован и использован для изготовления пластмасс.
В конечном итоге подобный катализатор может использоваться для крупномасштабной переработки углекислого газа. Было бы хорошо улавливать CO2, производимый промышленными предприятиями и превращать его в полезные соединения.
«Мы работали с лабораторными катализаторами в ходе наших экспериментов, но могли бы получить катализатор практически любого размера, используя разработанный метод», — утверждает Палмор.