Недорогий каталізатор на основі олова може вибірково перетворювати вуглекислий газ на три широко вироблені хімікати — етанол, оцтову кислоту та мурашину кислоту. У викидах від багатьох промислових операцій ховається невикористаний ресурс — вуглекислий газ (CO2). Будучи джерелом парникових газів і глобального потепління, його можна було б уловити та перетворити на хімічні речовини з доданою вартістю.
У спільному проекті за участю Аргонської національної лабораторії Міністерства енергетики США (DOE), Університету Північного Іллінойсу та Університету Вальпараїсо вчені повідомляють про сімейство каталізаторів, які ефективно перетворюють CO2 на етанол, оцтову або мурашину кислоту. Ці рідкі вуглеводні є одними з найбільш вироблених хімічних речовин у США та містяться в багатьох комерційних продуктах. Наприклад, етанол є ключовим інгредієнтом багатьох побутових товарів і добавкою до майже всіх американських бензинів.
Метод електрокаталітичного перетворення
Метод, який використовує команда, називається електрокаталітичним перетворенням, тобто перетворення CO 2 на каталізаторі відбувається за допомогою електрики. Змінюючи розмір використовуваного олова від одиничних атомів до надмалих кластерів, а також до більших нанокристалів, команда могла контролювати перетворення CO 2 в оцтову кислоту, етанол і мурашину кислоту відповідно. Селективність для кожного з цих хімічних речовин становила 90% або вище. «Наше відкриття про зміну шляху реакції залежно від розміру каталізатора є безпрецедентним», — сказав Лю.
Обчислювальні та експериментальні дослідження показали кілька уявлень про механізми реакції утворення трьох вуглеводнів. Одним із важливих висновків було те, що реакційний шлях повністю змінюється, коли звичайна вода, яка використовується для перетворення, змінюється на дейтеровану воду (дейтерій є ізотопом водню). Це явище відоме як кінетичний ізотопний ефект. Це ніколи раніше не спостерігалося при перетворенні CO2.
У цьому дослідженні взяли участь два користувальницькі об’єкти Управління науки Міністерства економіки США в Аргонні — Advanced Photon Source (APS) і Center for Nanoscale Materials (CNM). «Використовуючи промені жорсткого рентгенівського випромінювання, доступні в APS, ми зафіксували хімічну та електронну структуру каталізаторів на основі олова з різним вмістом олова», — сказав Ченцзюн Сун, фізик з Аргону. Крім того, висока просторова роздільна здатність, можлива за допомогою трансмісійного електронного мікроскопа в CNM, безпосередньо відобразила розташування атомів олова, від окремих атомів до невеликих кластерів, з різними навантаженнями каталізатора.
За словами Лю, «Наша кінцева мета — використовувати електроенергію, вироблену на місцевому рівні від вітру та сонця, для виробництва бажаних хімічних речовин для місцевого споживання».
Це вимагатиме інтеграції нещодавно відкритих каталізаторів у низькотемпературний електролізер для здійснення перетворення CO2 за допомогою електроенергії, що постачається з відновлюваних джерел енергії. Низькотемпературні електролізери можуть працювати при температурі та тиску навколишнього середовища. Це забезпечує швидкий запуск і зупинку для забезпечення періодичної подачі відновлюваної енергії. Це ідеальна технологія для цієї мети.
«Якщо ми можемо вибірково виробляти лише ті хімікати, які потрібні поблизу об’єкта, ми можемо допомогти скоротити витрати на транспортування та зберігання CO2», – зазначив Лю. «Це справді була б безпрограшна ситуація для місцевих тих, хто застосовує нашу технологію».