Ученые из Индийского технологического института в Рурки, Университета Дхармсинх Десаи и Национального технологического института имени Мауланы Азада создали новый катализатор на основе графена, который позволяет преобразовывать углекислый газ в ценные химические продукты. Это открытие приближает к созданию технологий, способных одновременно снижать содержание CO2 в атмосфере и обеспечивать производство востребованных углеводородов.
Электрохимическое восстановление углекислого газа уже давно рассматривается как один из наиболее перспективных способов его утилизации. Этот процесс выгоден тем, что протекает при обычной температуре и давлении, а источником энергии может служить электричество от солнечных или ветровых электростанций. В результате удается получать топливо или химическое сырье, замыкая углеродный цикл.
У большинства известных катализаторов есть ограничение. Они образуют такие простейшие продукты, как угарный газ, муравьиная кислота и метан. Намного более востребованные в промышленности соединения, включая этилен и этанол, синтезировать гораздо сложнее, поскольку для этого нужно не только разрушить связи в молекуле CO2, но и соединить два атома углерода в одну молекулу, преодолев высокий энергетический барьер.
Чтобы справиться с этой задачей, ученые предложили встроить отдельные атомы меди в содержащую азот графеновую матрицу. В таком материале каждый атом меди работает как активный центр и используется с максимальной отдачей. Для синтеза катализатора ионы меди были нанесены на поверхность оксида графена, после чего полученный материал подвергся термической обработке в присутствии содержащего азот соединения. В результате атомы меди прочно закрепились в структуре графена и стабилизировались в форме, наиболее подходящей для протекания реакции.
Используя такие современные методы анализа, как электронная микроскопия и рентгеновская спектроскопия, ученые подтвердили, что атомы меди равномерно распределены по поверхности материала и находятся в наиболее благоприятной для катализа форме. Особенно важными оказались центры, где медь связана с двумя атомами азота. Именно такие узлы обеспечили высокую активность и избирательность процесса.
Электрохимические испытания продемонстрировали впечатляющие результаты. Эффективность преобразования CO2 достигала 91%, из которых 59% составлял этилен, являющийся ключевым сырьем для современной химической промышленности. Новый материал смог успешно направлять реакцию к более сложному формированию связей углерод-углерод, что придает ему особую практическую ценность.
Компьютерное моделирование с использованием теории функционала плотности подтвердило полученные результаты. Также катализатор показал высокую устойчивость. Даже после 20 часов непрерывной работы его активность оставалась неизменной.
Таким образом, разработка индийских ученых открывает широкие перспективы для энергетики и химической промышленности, превращая углекислый газ из климатической угрозы в ценнейший ресурс.
