Микрофотография медного катализатора для восстановления углекислого газа (Canadian Light Source)

Опубликовано в журнале Химическая техника №1/2018

Разработан метод синтеза катализатора с дендритной структурой на основе меди, который позволяет селективно восстанавливать углекислый газ до этилена.

Концентрация побочных продуктов в конечной смеси составляет ∼0,5%, сообщают ученые в Nature Catalysis.

Восстановление углекислого газа до углеводородов, которые можно использовать в дальнейшем в качестве топлива, — один из способов снижения концентрации углекислого газа в атмосфере. Поскольку при этом не используется ископаемое топливо, то количество углерода в углеродном цикле при этом сохраняется на прежнем уровне. Поиск эффективных катализаторов для восстановления углекислого газа — одна из актуальных задач современной химии. Важным является выбор конечного продукта такой реакции: в зависимости от его состава или агрегатного состояния зависит способ дальнейшей транспортировки и использование полученного углеводорода. Иногда удобнее получать газообразный метан, а иногда более целесообразно получение, например, этанола, этилена или более крупных молекул.

Микрофотография медного катализатора для восстановления углекислого газа (Canadian Light Source)
Микрофотография медного катализатора для восстановления углекислого газа (Canadian Light Source)

Химики из Канады и США под руководством Эдварда Сарджента (Edward H. Sargent) из Канадского института перспективных исследований разработали метод получения катализатора с контролируемой морфологией, который селективно восстанавливает углекислый газ до этилена C2H4. В качестве материала катализатора ученые предложили использовать медь — единственный из применяемых для катализа металлов, который может восстановить углекислый газ именно до этилена (использование других металлов для восстановления CO2, как правило, приводит к получению оксида углерода (I), муравьиной кислоты или метана).

Проблема использования меди в качестве катализатора состоит в том, что в результате ее действия образуется смесь углеводородов (в первую очередь — метана и этилена), точный состав которой очень сложно контролировать. Чтобы эту проблему решить, для синтеза катализатора предложили использовать электрохимическое переосаждение меди. Для этого сначала был синтезирован предварительный реагент — гидроксихлорид меди состава Cu2(OH)3Cl, который затем час-тично растворялся, и под действием внешнего напряжения на поверхность осаждались наночастицы меди. В зависимости от приложенного напряжения таким способом можно получить медные наночастицы различной формы: в виде наноигл, нановолосков или дендритных структур.

Схема синтеза медных катализаторов различной морфологии для восстановления CO2 с использованием метода электро- химического переосаждения (P. De Luna et al./ Nature Catalysis)
Схема синтеза медных катализаторов различной морфологии для восстановления CO2 с использованием метода электро- химического переосаждения (P. De Luna et al./ Nature Catalysis)

В зависимости от типа структуры и степени окисления меди в образовавшихся катализаторах они могут приводить к получению различных продуктов при восстановлении CO2. Чтобы точно проконтролировать состав катализатора, авторы использовали рентгеновскую спектроскопию, что дало возможность проследить за изменением степени окисления меди в процессе протекания реакции.

В результате ученым удалось добиться получения такого катализатора, в котором сочетается большая кривизна поверхности и присутствие в структуре ионов меди

Cu+. Наличие сильно искривленных участков приводит к увеличению количества центров нуклеации газовых пузырьков, что вместе с действием ионов однозарядной меди приводит к увеличению pH среды и подавлению реакции с образованием метана. Такой катализатор позволяет селективно получать именно этилен: соотношение между этиленом и метаном в конечной смеси продуктов составило 200 к 1. По словам ученых, предложенный ими катализатор весьма перспективен для процессов переработки углекислого газа с дальнейшим получением из него пластика, в первую очередь полиэтилена.

Восстановление углекислого газа — далеко не единственная химическая реакция, для которой актуально создание эффективных катализаторов. В частности, ученые активно ищут катализаторы для реакций окисления угарного газа и разложения метана на простые вещества. Подробнее о том, создание каких катализаторов сейчас наиболее актуально для решения современных экологических проблем и технологических задач, вы можете прочитать в интервью с британским химиком Грэмом Хатчингсом.

Александр Дубов

https://nplus1.ru/news/2018/01/16/co2-catalysts