С помощью электричества химики научились синтезировать ценные материалы из топлива

Ученые разработали метод эффективного преобразования двуокиси углерода в метанол с помощью электричества и нового катализатора, что может произвести революцию в каталитических процессах и производстве альтернативного топлива.

Исследование выявило более эффективный метод создания метанола. В течение многих лет химики стремились синтезировать ценные материалы из отработанных молекул. Теперь международная группа ученых изучает, как электричество может упростить этот процесс.

В своем исследовании, недавно опубликованном в журнале Nature Catalysis, ученые продемонстрировали, что углекислый газ, являющийся парниковым, может быть высокоэффективно преобразован в жидкое топливо под названием метанол.

Этот процесс происходил за счет того, что молекулы фталоцианина кобальта (CoPc) равномерно распределялись на углеродных нанотрубках — графеноподобных трубках, обладающих уникальными электрическими свойствами. На их поверхности находился раствор электролита, который при пропускании через него электрического тока позволял молекулам CoPc принимать электроны и использовать их для превращения углекислого газа в метанол.

Используя специальный метод, основанный на спектроскопии in-situ, для визуализации химической реакции, исследователи впервые увидели, как молекулы превращаются либо в метанол, либо в монооксид углерода, что не является желаемым продуктом. Они обнаружили, что путь реакции определяется средой, в которой молекула углекислого газа вступает в реакцию.

По словам Роберта Бейкера, соавтора исследования и профессора химии и биохимии Университета штата Огайо, настройка этой среды путем контроля распределения катализатора CoPc на поверхности углеродных нанотрубок позволила увеличить вероятность получения метанола из углекислого газа в восемь раз, что может повысить эффективность других каталитических процессов и оказать широкое влияние на другие области.

«Когда вы берете углекислый газ и превращаете его в другой продукт, вы можете получить множество различных молекул, — сказал он. — Метанол, безусловно, одна из самых востребованных, потому что он обладает высокой энергетической плотностью и может быть использован непосредственно в качестве альтернативного топлива».

Хотя превращение отработанных молекул в полезные продукты — явление не новое, до сих пор исследователи часто не могли наблюдать за тем, как происходит реакция, а это очень важно для оптимизации и улучшения процесса.

«Мы можем эмпирически оптимизировать то, как что-то работает, но у нас нет понимания того, что заставляет это работать или что заставляет один катализатор работать лучше, чем другой. На эти вопросы очень сложно ответить», — говорит Бейкер. Он специализируется на химии поверхности и изучает изменение химических реакций в зависимости от поверхностей объектов, на которых они происходят.

Но с помощью специальных методик и компьютерного моделирования команда приблизилась к пониманию этого процесса. В исследовании ученые использовали новый тип колебательной спектроскопии, который позволил им увидеть, как молекулы ведут себя на поверхности, говорит Куансон Чжу, ведущий автор исследования и бывший президентский стипендиат штата Огайо, чьи сложные измерения сыграли важную роль в открытии.

«По их колебательным сигналам мы могли определить, что это одна и та же молекула, находящаяся в двух разных реакционных средах, — говорит Чжу. — Мы смогли установить, что одна из этих реакционных сред отвечает за производство метанола, который является ценным жидким топливом».

Согласно исследованию, более глубокий анализ также показал, что эти молекулы напрямую взаимодействуют с заряженными частицами, называемыми катионами, которые усиливают процесс образования метанола.

По словам Бейкера, необходимо провести дополнительные исследования, чтобы узнать, что еще могут делать эти катионы, но такое открытие — ключ к созданию более эффективного способа получения метанола.

«Мы видим очень важные системы и узнаем о них то, о чем давно догадывались, — говорит Бейкер. — Понимание уникальной химии, происходящей на молекулярном уровне, очень важно для создания таких приложений».

Помимо того что метанол является недорогим топливом для таких транспортных средств, как самолеты, автомобили и морские суда, он также может быть использован для отопления и производства электроэнергии, а также для будущих химических открытий.

«Есть много интересных вещей, которые могут появиться в будущем на основе того, что мы узнали здесь, и некоторые из них мы уже начинаем делать вместе, — сказал Бейкер. — Работа продолжается».

Ранее исследователи из Университета Хельсинки разработали устойчивые методы растворения благородных металлов. Отработанные компьютеры и сотовые телефоны, солнечные батареи и другие электронные отходы становятся важным источником благородных металлов наряду с добычей полезных ископаемых.