Хіміки роками працювали над синтезом цінних матеріалів із молекул відходів. Зараз міжнародне співробітництво вчених досліджує способи використання електроенергії для спрощення процесу. У своєму дослідженні, опублікованому в Nature Catalysis, дослідники продемонстрували, що вуглекислий газ, парниковий газ, можна дуже ефективно перетворити на тип рідкого палива під назвою метанол.
Цей процес відбувався шляхом взяття молекул фталоціаніну кобальту (CoPc) і рівномірного розподілу їх на вуглецевих нанотрубках, графеноподібних трубках, які мають унікальні електричні властивості. На їх поверхні був розчин електроліту, який, пропускаючи через нього електричний струм, дозволяв молекулам CoPc приймати електрони та використовувати їх для перетворення вуглекислого газу на метанол.
Використовуючи спеціальний метод, заснований на спектроскопії in situ, для візуалізації хімічної реакції, дослідники вперше побачили, як ці молекули перетворюються або на метанол, або на монооксид вуглецю, що не є бажаним продуктом. Вони виявили, що шлях реакції залежить від середовища, де реагує молекула вуглекислого газу.
Налаштування цього середовища шляхом контролю розподілу каталізатора CoPc на поверхні вуглецевих нанотрубок дозволило у вісім разів збільшити ймовірність утворення метанолу з вуглекислого газу. Це відкриття може підвищити ефективність інших каталітичних процесів і мати широкий вплив на інші поля, сказав Роберт Бейкер, співавтор дослідження та професор хімії та біохімії в Університеті штату Огайо.
«Коли ви берете вуглекислий газ і перетворюєте його на інший продукт, ви можете створити багато різних молекул», — сказав він. «Метанол, безперечно, є одним із найбажаніших, оскільки він має таку високу щільність енергії і може використовуватися безпосередньо як альтернативне паливо».
Хоча перетворення молекул відходів у корисні продукти не є новим явищем, дотепер дослідники часто не могли спостерігати, як насправді відбувається реакція, що є вирішальним уявленням про можливість оптимізувати та вдосконалити процес.
«Ми могли б емпірично оптимізувати, як щось працює, але насправді ми не маємо розуміння того, що змушує це працювати, або що робить один каталізатор кращим, ніж інший», — сказав Бейкер, який спеціалізується на хімії поверхні, вивченні того, як хімічні реакції змінюються, коли вони відбуваються на обличчі різних предметів. «На це дуже складно відповісти».
Але за допомогою спеціальних методик і комп’ютерного моделювання команда значно наблизилася до розуміння складного процесу. У цьому дослідженні дослідники використовували новий тип вібраційної спектроскопії, який дозволив їм побачити, як молекули поводяться на поверхні, сказав Квансон Чжу, провідний автор дослідження та колишній президентський науковець штату Огайо, чиї складні вимірювання були життєво важливими для відкриття.
«Ми могли сказати за їхніми вібраційними сигнатурами, що це була та сама молекула, яка перебувала в двох різних реакційних середовищах», — сказав Чжу. «Ми змогли співвіднести, що одна з цих реакційних середовищ відповідає за виробництво метанолу, який є цінним рідким паливом».
Згідно з дослідженням, більш глибокий аналіз також виявив, що ці молекули безпосередньо взаємодіють з надзарядженими частинками, званими катіонами, які посилюють процес утворення метанолу.
Потрібні додаткові дослідження, щоб дізнатися більше про те, що ще дозволяють ці катіони, але таке відкриття є ключовим для досягнення більш ефективного способу створення метанолу, сказав Бейкер.
«Ми бачимо системи, які є дуже важливими, і дізнаємося про них те, про що давно дивувалися», — сказав Бейкер. «Розуміння унікальної хімії, яка відбувається на молекулярному рівні, дуже важливо для використання цих програм».
Крім того, що метанол є недорогим паливом для транспортних засобів, таких як літаки, автомобілі та морські судна, метанол, отриманий з відновлюваної електроенергії, також може використовуватися для опалення та виробництва електроенергії, а також для просування майбутніх хімічних відкриттів.
«Є багато захоплюючих речей, які можуть стати наступними на основі того, про що ми тут дізналися, і деякі з них ми вже починаємо робити разом», — сказав Бейкер. «Робота триває».