Одним из возможных конечных продуктов является метанол, жидкое топливо, и в центре внимания недавнего исследования, проведенного в Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США (DOE). Химические реакции, в результате которых образуется метанол из диоксида углерода, зависят от катализатора, ускоряющего превращение, и ученые Аргонна определили новый материал, который мог бы выполнить эту роль. Благодаря своей уникальной структуре этот катализатор может улавливать и преобразовывать диоксид углерода таким образом, чтобы в конечном итоге экономить энергию.Его называют тетрамером меди.
Он состоит из небольших кластеров из четырех атомов меди в каждом, закрепленных на тонкой пленке оксида алюминия. Эти катализаторы работают, связываясь с молекулами углекислого газа, ориентируя их таким образом, чтобы они идеально подходили для химических реакций. Структура тетрамера меди такова, что большинство его участков связывания открыты, что означает, что он может более прочно присоединяться к диоксиду углерода и может лучше ускорять превращение.
Текущий промышленный процесс восстановления диоксида углерода до метанола использует катализатор из меди, оксида цинка и оксида алюминия. Ряд его связывающих участков занят просто для удержания соединения вместе, что ограничивает количество атомов, которые могут улавливать и удерживать углекислый газ.«В нашем катализаторе нет внутренней части», — сказал Стефан Вайда, старший химик Аргоннского института молекулярной инженерии и соавтор статьи. «Все четыре атома меди участвуют, потому что лишь некоторые из них в кластере открыты и способны связываться».
Чтобы компенсировать катализатор с меньшим количеством участков связывания, текущий метод восстановления создает условия высокого давления для облегчения более прочных связей с молекулами диоксида углерода. Но для сжатия газа в смесь под высоким давлением требуется много энергии.
Преимущество улучшенного связывания заключается в том, что новому катализатору требуется более низкое давление и меньше энергии для производства того же количества метанола.Выбросы углекислого газа являются постоянной экологической проблемой, и, по мнению авторов, важно, чтобы исследования определяли оптимальные способы обращения с отходами.
«Мы заинтересованы в поиске новых каталитических реакций, которые будут более эффективными, чем существующие катализаторы, особенно с точки зрения экономии энергии», — сказал Ларри Кертисс, заслуженный научный сотрудник Аргонны, соавтор этой статьи.Тетрамеры меди могут позволить нам улавливать и преобразовывать углекислый газ в более крупных масштабах, уменьшая угрозу для окружающей среды и создавая полезный продукт, такой как метанол, который можно транспортировать и сжигать в качестве топлива.
Конечно, катализатору еще предстоит долгий путь от лаборатории до производства.Потенциальные препятствия включают нестабильность и поиск способов производства в больших количествах. По словам Кертисса, тетрамеры меди могут разлагаться при использовании в промышленных условиях, поэтому обеспечение долговечности является критически важным шагом для будущих исследований.
И хотя для этого исследования ученым потребовались только нанограммы материала, для промышленных целей это число пришлось бы резко увеличить.Между тем, исследователи заинтересованы в поиске других катализаторов, которые могли бы даже превзойти их тетрамер меди.Эти катализаторы могут различаться по размеру, составу и материалу носителя, что приводит к списку из более чем 2000 возможных комбинаций, сказал Вайда.
Но ученым не нужно проводить тысячи различных экспериментов, — сказал Питер Запол, аргоннский физик и соавтор этой статьи. Вместо этого они будут использовать расширенные вычисления, чтобы делать прогнозы, а затем проверять катализаторы, которые кажутся наиболее многообещающими.«Мы еще не нашли катализатор лучше, чем тетрамер меди, но надеемся, что найдем», — сказал Вайда. «Поскольку глобальное потепление становится все более тяжелым бременем, мы вынуждены продолжать попытки вернуть выбросы углекислого газа во что-то полезное».
Для этого исследования команда использовала Центр наноразмерных материалов, а также канал 12-ID-C усовершенствованного источника фотонов, оба объекта Управления науки Министерства энергетики США.Кертисс сказал, что усовершенствованный источник фотонов позволил ученым наблюдать сверхмалые нагрузки их небольших кластеров, вплоть до нескольких нанограмм, что было важной частью этого исследования.