Новый катализатор превращает углекислый газ из промышленных выбросов в широко используемые химические вещества

Недорогой катализатор на основе олова может избирательно превращать углекислый газ в три широко производимых химических вещества — этанол, уксусную кислоту и муравьиную кислоту.

В выбросах многих промышленных предприятий скрывается неиспользованный ресурс — углекислый газ (CO).₂). Будучи источником парниковых газов и глобального потепления, его можно вместо этого улавливать и превращать в химические вещества с добавленной стоимостью.

В рамках совместного проекта с участием Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США (DOE), Университета Северного Иллинойса и Университета Вальпараисо ученые сообщают о семействе катализаторов, которые эффективно преобразуют CO.₂ в этанол, уксусную кислоту или муравьиную кислоту. Эти жидкие углеводороды входят в число наиболее производимых химикатов в США и содержатся во многих коммерческих продуктах. Например, этанол является ключевым ингредиентом многих товаров для дома и добавкой почти ко всему бензину в США.

Работа опубликована в журнале Журнал Американского химического общества.

Катализаторы основаны на металлическом олове, нанесенном на углеродный носитель. «Если наши катализаторы будут полностью разработаны, они смогут преобразовывать CO₂ «Эти источники включают в себя электростанции, работающие на ископаемом топливе, а также предприятия по биоферментации и переработке отходов». Лю — старший химик в Аргонне и старший научный сотрудник Притцкеровской школы Молекулярная инженерия в Чикагском университете.

Метод, используемый командой, называется электрокаталитической конверсией, что означает, что CO₂ Конверсия на катализаторе осуществляется за счет электричества. Изменяя размер используемого олова от одиночных атомов до сверхмалых кластеров, а также до более крупных нанокристаллитов, команда могла контролировать выбросы CO.₂ превращение в уксусную кислоту, этанол и муравьиную кислоту соответственно. Селективность по каждому из этих химических веществ составляла 90% или выше. «Наше открытие об изменении пути реакции в зависимости от размера катализатора является беспрецедентным», — сказал Лю.

Вычислительные и экспериментальные исследования позволили пролить свет на механизмы реакций, образующих три углеводорода. Одним из важных открытий было то, что путь реакции полностью меняется, когда обычная вода, используемая при конверсии, заменяется дейтерированной водой (дейтерий — это изотоп водорода). Это явление известно как кинетический изотопный эффект. Ранее это никогда не наблюдалось в CO.₂ конверсия.

В этом исследовании использовались два пользовательских объекта Управления науки Министерства энергетики США в Аргонне — Усовершенствованный источник фотонов (APS) и Центр наноразмерных материалов (CNM).

«Используя лучи жесткого рентгеновского излучения, доступные в APS, мы зафиксировали химическую и электронную структуру катализаторов на основе олова с различным содержанием олова», — сказал Ченгджун Сунь, физик из Аргонна. Кроме того, высокое пространственное разрешение, возможное с помощью просвечивающего электронного микроскопа в CNM, напрямую отображало расположение атомов олова, от одиночных атомов до небольших кластеров, с различными загрузками катализатора.

По словам Лю, «наша конечная цель — использовать местную электроэнергию, вырабатываемую ветром и солнцем, для производства нужных химикатов для местного потребления».

Это потребует интеграции недавно открытых катализаторов в низкотемпературный электролизер для проведения процесса CO.₂ преобразование с использованием электроэнергии, получаемой из возобновляемых источников. Низкотемпературные электролизеры могут работать при температуре и давлении, близких к окружающей среде. Это обеспечивает быстрый запуск и остановку для обеспечения прерывистой подачи возобновляемой энергии. Это идеальная технология для достижения этой цели.

«Если мы сможем выборочно производить только те химикаты, которые нужны рядом с объектом, мы сможем помочь сократить выбросы CO2.₂ затраты на транспортировку и хранение», — отметил Лю. «Это действительно будет беспроигрышная ситуация для местных пользователей нашей технологии».