Как превратить CO2 в полезные химические вещества

Медная пена может предоставить новый способ превращения избытка CO2 в полезные промышленные химикаты.

Группа исследователей из Центра улавливания и преобразования CO2 при Университете Брауна обнаружила, что медная пена может обеспечить новый способ преобразования избыточного CO2 в полезные промышленные химические вещества, включая муравьиную кислоту.

Медь — единственный металл, который может преобразовать CO2 до полезных углеводородов. Пена из меди имеет губчатые поры и каналы, обеспечивая более активные центры для реакций CO2, чем простая поверхность. Предоставлено: лаборатория Палмора / Брауновский университет.

Провиденс, Род-Айленд (Университет Брауна). Катализатор, изготовленный из пенистой формы меди, имеет совершенно иные электрохимические свойства, чем катализаторы, изготовленные из гладкой меди в реакциях с участием углекислого газа, как показывает новое исследование. Исследование, проведенное учеными из Центра улавливания и преобразования CO2 при Университете Брауна, предполагает, что медная пена может предоставить новый способ преобразования избыточного CO2 в полезные промышленные химические вещества. Исследование опубликовано в журнале ACS Catalysis.

Ипользование CO2

Поскольку уровень углекислого газа в атмосфере продолжает расти, исследователи ищут способы использовать его. Один из подходов — улавливать CO2, выбрасываемый электростанциями и другими объектами, и использовать его в качестве источника углерода для производства промышленных химикатов, большая часть которых в настоящее время производится из ископаемого топлива. Проблема в том, что CO2 чрезвычайно стабилен, и перевести его в реактивную и полезную форму непросто.

«Медь долгое время изучалась как электрокатализатор для снижения выбросов CO2, и это единственный металл, способный восстанавливать CO2 до полезных углеводородов», — сказал Тайхас Палмор, профессор инженерных наук и старший автор нового исследования. «Были некоторые признаки того, что если сделать поверхность плоской меди шероховатой, это создаст больше активных центров для реакций с CO2».

Разработка медной пены

Медная пена, которая была разработана только в последние несколько лет, обеспечила шероховатость поверхности, которую искали Палмор и ее коллеги. Пены получают путем осаждения меди на поверхности в присутствии водорода и сильного электрического тока. Пузырьки водорода вызывают осаждение меди в виде губчатых пор и каналов разного размера.

После нанесения медной пены на электрод исследователи поставили эксперименты, чтобы увидеть, какие продукты будут образовываться в результате электрохимической реакции с CO2 в воде. Эксперименты проводились Суджат Сеном и Дэн Лю, аспирантами-химиками, работающими в лаборатории Палмора Инженерной школы Брауна.

Эксперименты показали, что медная пена превращает CO2 в муравьиную кислоту — соединение, часто используемое в качестве сырья для микробов, производящих биотопливо, — с гораздо большей эффективностью, чем плоская медь. В результате реакции также образуется небольшое количество пропилена, полезного углеводорода, о котором ранее никогда не сообщалось в реакциях с участием меди.

«Распределение продукции было уникальным и сильно отличалось от того, что сообщалось о планарных электродах, что было неожиданностью», — сказал Палмор. «Мы определили еще один параметр, который следует учитывать при электровосстановлении CO2. Это не только тип металла, который определяет направление, в котором идет эта химия, но и архитектура катализатора ».

Теперь, когда ясно, что архитектура имеет значение, Палмор и ее коллеги работают над тем, чтобы увидеть, что произойдет, когда эта архитектура будет изменена. По ее словам, вполне вероятно, что поры разной глубины или диаметра будут производить разные соединения из исходного CO2. В конечном итоге, возможно, удастся настроить медную пену на конкретное желаемое соединение.

Палмор сказала, что она поражена тем фактом, что о меди еще предстоит узнать больше.

• «Люди изучают электрокатализ с медью уже пару десятилетий», — сказала она. «Примечательно, что мы все еще можем вносить в него изменения, влияющие на то, что производится».

Работа над исследованием является частью более масштабных усилий Центра по улавливанию и конверсии CO2 Брауна. Центр, финансируемый Национальным научным фондом, изучает различные катализаторы, которые могут преобразовывать CO2 в пригодные для использования формы углерода.

• «Цель состоит в том, чтобы найти способы производить некоторые из самых крупных в мире химических веществ из устойчивого источника углерода, который на Земле не только имеется в избытке, но и срочно необходимо сократить», — сказал Палмор, руководитель центра. «Это способ для нас, как ученых, начать думать о том, как мы производим промышленные химикаты более устойчивыми способами и в то же время контролируем расходы. Стоимость товарных химикатов никуда не денется, если их производство зависит от ископаемого топлива ».

Центр улавливания и преобразования CO2 — это Центр химических инноваций, финансируемый Национальным научным фондом (CHE-1240020).

Источник

Метки: Нанотехнологии