Кластеризация и динамика воды. Изображение:
Природный катализ
(2024). DOI: 10.1038/s41929-024-01162-z

Ученые, стремящиеся превратить углекислый газ в чистое топливо и полезные химикаты, часто превращают газообразный водород и карбонаты в качестве нежелательных побочных продуктов. Новая статья Притцкеровской школы молекулярной инженерии Калифорнийского университета в Чикаго нашла более чистый путь.

Углекислый газ – это парниковый газ, который несет единоличную ответственность за 78% изменения энергетического баланса в атмосфере Земли в период с 1990 по 2022 год.

Побочный продукт сжигания ископаемого топлива, углекислый газ попадает в атмосферу из выхлопных газов автомобилей и угольных электростанций. Даже некоторые возобновляемые источники энергии производят небольшое количество углекислого газа, хотя и в ничтожной части того количества, которое производят уголь и природный газ.

По своей сути эта молекула представляет собой всего лишь сочетание одного атома углерода и двух атомов кислорода, которые можно реорганизовать посредством процесса, называемого электрохимическим восстановлением углекислого газа (CO).2R) в чистое топливо и полезные химикаты. Но этот процесс часто осуществляется с убытком, поскольку конкурирующие процессы тянут атомы в нежелательных направлениях, создавая нежелательные побочные продукты.

В статье, опубликованной сегодня в Природный катализИсследователи из лаборатории Аманчукву Притцкеровской школы молекулярной инженерии Калифорнийского университета в Чикаго нарисовали способ манипулирования молекулами воды для получения CO.2R более эффективным, с конечной целью создания экологически чистого энергетического цикла.

Благодаря новому методу команда смогла выполнить CO.2R с эффективностью почти 100% в слабокислых условиях с использованием золота или цинка в качестве катализаторов.

«Представьте, что мы можем получать зеленую электроэнергию от солнца и ветра, а затем использовать эту электроэнергию для преобразования углекислого газа обратно в топливо», — сказал доктор философии PME. кандидат Реджи Гомес, первый автор новой статьи.

Конкуренция с НЕЙ

Электрохимическая разборка молекулы похожа на перерыв в игре в бильярд. Предыдущее расположение исчезает, и шары разлетаются по столу, образуя новые комбинации — не всегда те, которые задумал игрок.

Точно так же исследователи, выполняющие CO2R используйте электричество и воду для разрушения и перегруппировки вредных парниковых газов. В результате атомы углерода и кислорода из углекислого газа перемещаются по столу с атомами водорода из воды.

Если все работает так, как задумано, атомы образуют другие, более желательные молекулы, которые можно использовать в качестве топлива или химических веществ.

Но по мере того, как атомы рассеиваются, часто образуются стабильные пары из двух атомов водорода — процесс, называемый реакцией выделения водорода (HER). Это делает CO2R менее эффективен, поскольку энергия и атомы, которые превращаются в газообразный водород, не могут быть частью молекул, которые пытались создать ученые.

Даже в небольших количествах воды CO2R всегда конкурирует с HER.

Лаборатория Аманчукву, наиболее известная своими исследованиями в области аккумуляторов, применила к этой проблеме идеи водных аккумуляторов, выдвинув гипотезу, что контроль воды с помощью органических растворителей может дать решение.

Все, что блестит

Оба СО2R и HER полагаются на воду как на донора протонов. Используя органические растворители и кислотные добавки, команда смогла настроить поведение воды, найдя золотую середину, где она отдала нужное количество протонов для создания нужных молекул, а не газообразного водорода и других нежелательных материалов, таких как карбонаты.

«В общей химии мы узнаем, что углекислый газ реагирует с гидроксидом с образованием карбоната. Это нежелательно, потому что это истощает молекулу, которую мы хотим повысить», — сказал Чибуезе Аманчукву, доцент кафедры молекулярной инженерии семьи Нойбауэр.

Многие из наиболее эффективных способов выполнения CO2R полагаются на драгоценные металлы.

«Платина, серебро, золото — для исследовательских целей они являются отличными катализаторами», — сказал Гомес. «Это очень стабильные материалы. Но когда вы думаете о промышленном применении, они становятся непомерно дорогими».

Создав электролит, новый метод может дать аналогичные результаты, используя более дешевые и распространенные материалы.

«На данный момент лучший способ сделать это электрохимически при комнатной температуре — использовать драгоценные металлы. Золото и серебро могут немного подавить реакцию выделения водорода», — сказал Аманчукву. «Благодаря нашему открытию мы теперь можем использовать богатый землёй металл цинк, потому что теперь у нас есть отдельный способ контролировать воду».

Предоставлено Чикагским университетом

Источник: PHYS.org