Группа исследователей из Калифорнийского технологического института и инженерной школы Самуэли Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе продемонстрировала многообещающий способ эффективного преобразования диоксида углерода в этилен — важное химическое вещество, используемое для производства пластмасс, растворителей, косметики и других важных продуктов во всем мире.
Ученые разработали наноразмерные медные проволоки с поверхностями особой формы, чтобы катализировать химическую реакцию, которая снижает выбросы парниковых газов при одновременном генерировании этилена — ценного химического вещества. Вычислительные исследования реакции показывают, что формованный катализатор способствует образованию этилена по сравнению с водородом или метаном. Исследование, подробно описывающее прогресс, было опубликовано в Nature Catalysis .
«Мы находимся на грани исчерпания ископаемого топлива в сочетании с проблемами глобального изменения климата», — сказал Ю Хуанг, соавтор исследования и профессор материаловедения и инженерии в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе. «Разработка материалов, которые могут эффективно превращать парниковые газы в топливо с добавленной стоимостью и химическое сырье, является важным шагом на пути к смягчению последствий глобального потепления при одновременном отказе от добычи все более ограниченного ископаемого топлива. Этот комплексный эксперимент и теоретический анализ представляют собой устойчивый путь к вторичной переработке диоксида углерода и утилизация «.
В настоящее время мировое производство этилена составляет 158 миллионов тонн в год. Многое из этого превращается в полиэтилен, который используется в пластиковой упаковке. Этилен перерабатывается из углеводородов, например природного газа.
«Идея использования меди для катализирования этой реакции существует уже давно, но главное — ускорить скорость, чтобы она была достаточно быстрой для промышленного производства», — сказал Уильям А. Годдард III, соавтор исследования, и Чарльз и Мэри Феркель из Калифорнийского технологического института, профессор химии, материаловедения и прикладной физики. «Это исследование показывает твердый путь к достижению этой отметки с потенциалом преобразования производства этилена в более экологичную промышленность, использующую CO 2 , который в противном случае оказался бы в атмосфере».
Использование меди для запуска реакции восстановления диоксида углерода (CO 2 ) в реакцию с этиленом (C 2 H 4 ) нанесло два удара. Во-первых, первоначальная химическая реакция также произвела водород и метан, которые нежелательны для промышленного производства. Во-вторых, предыдущие попытки, которые привели к производству этилена, длились недолго, а эффективность преобразования снижалась по мере того, как система продолжала работать.
Чтобы преодолеть эти два препятствия, исследователи сосредоточились на конструкции медных нанопроволок с высокоактивными «ступеньками» — подобными лестнице, расположенной в атомном масштабе. Одним из интересных открытий этого совместного исследования является то, что этот ступенчатый узор на поверхности нанопроволок оставался стабильным в условиях реакции, вопреки общему мнению, что эти высокоэнергетические особенности могут сгладиться. Это ключ как к долговечности системы, так и к селективности при производстве этилена вместо других конечных продуктов.
Команда продемонстрировала степень превращения диоксида углерода в этилен более 70%, что намного более эффективно, чем предыдущие разработки, которые давали как минимум на 10% меньше при тех же условиях. Новая система проработала 200 часов с незначительным изменением эффективности преобразования , что является большим достижением для катализаторов на основе меди. Кроме того, всестороннее понимание взаимосвязи структура-функция проиллюстрировало новую перспективу разработки высокоактивного и долговечного катализатора восстановления CO 2 в действии.
Хуанг и Годдард были частыми сотрудниками в течение многих лет, исследовательская группа Годдарда сосредоточилась на теоретических причинах, лежащих в основе химических реакций , в то время как группа Хуанга создавала новые материалы и проводила эксперименты. Ведущий автор статьи — Чхунгсок Чой, аспирант в области материаловедения и инженерии в Калифорнийском университете Самуэли и сотрудник лаборатории Хуанга.
Источник: Калифорнийский университет в Лос — Анджелесе
Фото: Юй Хуанг и Уильям А. Годдард III