Ученые разработали наноразмерные медные проволоки с поверхностями особой формы, чтобы катализировать химическую реакцию, которая снижает выбросы парниковых газов при одновременном генерировании этилена – ценного химического вещества. Вычислительные исследования реакции показывают, что формованный катализатор способствует образованию этилена по сравнению с водородом или метаном. Исследование, в котором подробно описывается прогресс, было опубликовано в Nature Catalysis.
«Мы находимся на грани исчерпания ископаемого топлива в сочетании с проблемами глобального изменения климата», – сказал Ю Хуанг, соавтор исследования и профессор материаловедения и инженерии Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. "Разработка материалов, которые могут эффективно превращать парниковые газы в топливо с добавленной стоимостью и химическое сырье, является важным шагом на пути к смягчению последствий глобального потепления при одновременном отказе от добычи ископаемых видов топлива, которые становятся все более ограниченными. Этот комплексный эксперимент и теоретический анализ представляют собой устойчивый путь к вторичной переработке и утилизации углекислого газа."
В настоящее время мировое производство этилена составляет 158 миллионов тонн в год.
Большая часть этого превращается в полиэтилен, который используется в пластиковой упаковке. Этилен перерабатывается из углеводородов, например природного газа.
«Идея использования меди для катализирования этой реакции существует уже давно, но главное – ускорить скорость, чтобы она была достаточно быстрой для промышленного производства», – сказал Уильям А. Годдард III, соавтор исследования и профессор химии, материаловедения и прикладной физики из Калифорнийского технологического института Чарльз и Мэри Феркель. "Это исследование показывает твердый путь к этой отметке с потенциалом преобразования производства этилена в более экологичную промышленность с использованием CO2, который в противном случае оказался бы в атмосфере."
Использование меди для ускорения восстановления углекислого газа (CO2) в реакцию с этиленом (C2H4) нанесло ей два удара. Во-первых, первоначальная химическая реакция также произвела водород и метан, что нежелательно в промышленном производстве.
Во-вторых, предыдущие попытки, которые привели к производству этилена, длились недолго, эффективность преобразования снижалась по мере того, как система продолжала работать.
Чтобы преодолеть эти два препятствия, исследователи сосредоточились на конструкции медных нанопроволок с высокоактивными «ступенями» – подобными лестнице, расположенной в атомном масштабе.
Один интригующий вывод этого совместного исследования заключается в том, что этот ступенчатый узор на поверхности нанопроволок оставался стабильным в условиях реакции, вопреки общему мнению, что эти высокоэнергетические особенности сглаживаются. Это ключ как к долговечности системы, так и к селективности производства этилена вместо других конечных продуктов.
Команда продемонстрировала степень превращения диоксида углерода в этилен более 70%, что намного эффективнее, чем предыдущие разработки, которые давали как минимум на 10% меньше при тех же условиях.
Новая система проработала 200 часов с незначительным изменением эффективности преобразования, что является большим достижением для катализаторов на основе меди. Кроме того, всестороннее понимание взаимосвязи структура-функция проиллюстрировало новую перспективу разработки высокоактивного и долговечного катализатора снижения выбросов CO2 в действии.
Хуанг и Годдард часто сотрудничали в течение многих лет, при этом исследовательская группа Годдарда сосредотачивалась на теоретических причинах, лежащих в основе химических реакций, в то время как группа Хуанга создавала новые материалы и проводила эксперименты.
Ведущий автор статьи – Чхунгсок Чой, аспирант в области материаловедения и инженерии в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе Самуэли и сотрудник лаборатории Хуанга.