Вчені з ETH Zurich зробили важливий крок у розвитку «зеленої» хімії, створивши новий каталізатор, який дозволяє значно ефективніше перетворювати вуглекислий газ (CO₂) на метанол. Особливість цієї технології полягає в тому, що каталізатор складається з окремих атомів металу індію, які працюють як активні центри для хімічної реакції. Такий підхід не лише підвищує ефективність процесу, а й допомагає науковцям краще зрозуміти механізми реакцій, що відбуваються на поверхні каталізатора.
Метанол є однією з ключових речовин у хімічній промисловості. Його використовують для виробництва пластмас, палива, різноманітних матеріалів і хімічних продуктів. Саме тому пошук ефективних способів отримання цієї сполуки має велике значення, особливо якщо при цьому можна використовувати CO₂ — газ, який зазвичай вважається відходом і одним із головних чинників зміни клімату.
Будь-яка хімічна реакція потребує певної енергії, щоб початися. У промислових процесах ця енергія часто дуже велика, що підвищує витрати виробництва. Саме тому хіміки застосовують каталізатори — речовини, які прискорюють реакції і знижують енергетичний бар’єр, не витрачаючись у процесі. Найефективніші каталізатори зазвичай містять метали, але багато з них рідкісні та дорогі.
Новий підхід швейцарських учених дозволяє використовувати метал максимально ефективно. У традиційних каталізаторах метал зазвичай присутній у вигляді крихітних частинок, що складаються з сотень або навіть тисяч атомів. При цьому активно працюють лише атоми на поверхні таких частинок, тоді як решта практично не беруть участі в реакції.
У новій розробці дослідники застосували так звану архітектуру «одного атома». Кожен атом індію закріплений на поверхні спеціального матеріалу — оксиду гафнію — і виконує роль окремого реакційного центру. Така структура дозволяє використовувати метал набагато ефективніше та навіть робить економічно доцільним застосування рідкісних елементів у промислових масштабах.
Для створення цього каталізатора дослідникам довелося розробити складну технологію. Один із методів передбачає нагрівання вихідних речовин у полум’ї з температурою від 2000 до 3000 °C, після чого матеріал швидко охолоджується. У таких екстремальних умовах атоми індію залишаються на поверхні та міцно закріплюються в структурі оксиду гафнію.
Це рішення також забезпечує високу стабільність каталізатора. Виробництво метанолу з CO₂ та водню вимагає температур до 300 °C і тиску, що може перевищувати атмосферний у 50 разів. Новий матеріал здатний витримувати такі умови без втрати ефективності.
Ще однією важливою перевагою є можливість точніше досліджувати хімічні процеси. У традиційних каталізаторах більшість сигналів під час вимірювань надходить від атомів усередині частинок, хоча реакції відбуваються лише на поверхні. У випадку каталізаторів із окремими атомами цей «шум» значно менший, тому вчені можуть детальніше вивчати механізми реакцій.
За словами професора інженерії каталізу Хав’єра Переса-Раміреса, метанол можна назвати своєрідним «швейцарським ножем» хімії, адже він є універсальною основою для виробництва величезної кількості матеріалів і продуктів. Якщо ж водень для реакції та енергія для процесу вироблятимуться з відновлюваних джерел, метанол можна буде отримувати практично без шкоди для клімату. У такому випадку вуглекислий газ перетвориться з проблемного викиду на цінну сировину.
Науковці вважають, що новий каталізатор може стати важливим кроком до створення більш ефективних і екологічних технологій у хімічній промисловості. Крім того, отримані результати допоможуть розробляти нові каталізатори більш системно, а не методом проб і помилок, як це часто відбувалося раніше.