Degalai „iš oro“: tyrėjai išrado naują katalizatorių, kuris anglies dioksidą paverčia naudingu skystu kuru

Katalizatoriai spartina chemines reakcijas ir jų veikimu paremta daug pramonės procesų. Pavyzdžiui, jie nepakeičiami iš naftos gaminant benziną ar lėktuvų kurą. Dabar katalizė naudojama daugiau nei 80 procentų visų pramonės gaminių.

JAV Energijos departamento (U. S. Department of Energy's – DoE) Argonne nacionalinės laboratorijos komanda, bendradarbiaudama su Šiaurės Ilinojaus universitetu, atrado naują elektrokatalizatorių, nebrangiai, labai efektyviai ir selektyviai verčiantį anglies dvideginį (CO₂) ir vandenį (H₂O) į etanolį (C₂H₅OH). Etanolis yra ypač pageidaujamas produktas, kadangi jo pridedama praktiškai į visą JAV parduodamą benziną ir jis plačiai naudojamas kaip tarpinis produktas chemijos, farmacijos ir kosmetikos pramonėje.

„Mūsų katalizatoriumi atliekamas procesas prisidėtų prie uždaro ciklo anglies ekonomikos kūrimo, kurioje anglies dvideginis panaudojamas iš naujo," pažymėjo Di-Jia Liu, Argonne's Chemijos mokslų ir inžinerijos padalinio vyr. chemikas ir Čikagos universiteto ir Pritzker molekulinės inžinerijos mokyklos UChicago CASE mokslininkas. Šis vyktų, nebrangiai elektrochemiškai konvertuojant tokių pramonės procesų, kaip iškastino kuro jėgainių ar alkoholio fermentavimo įmonių išskiriamą CO₂ į vertingas medžiagas.

Komandos sukurtuose katalizatoriuose naudojamas ant anglies miltelių pagrindo atomiškai susmulkintas varis. Vykstant elektrocheminėms reakcijoms, šis katalizatorius suskaido CO₂ ir vandens molekules ir veikiant išoriniam elektros laukui, selektyviai pertvarko į etanolį. Šio proceso elektrokatalitinis selektyvumas, arba „Faradėjaus efektyvumas“ yra didesnis nei 90 procentų, daug aukštesnis už bet kurį kitą žinomą procesą. Negana to, katalizatorius stabiliai veikia, esant žemai įtampai.

„Šiuo tyrimu atradome naują anglies dvideginio ir vandens konvertavimo į etanolį katalizės mechanizmą,“ sakė Tao Xu, fizikinės chemijos ir nanotechnologijos profesorius iš Šiaurės Ilinojaus universiteto.“ Šis mechanizmas taip pat turėtų tapti pagrindu itin efektyvių elektrokatalizatorių, kuriais anglies dvideginis būtų verčiamas įvairiausiomis vertingomis cheminėmis medžiagomis.“

Kadangi CO₂ molekulė stabili, įprastai pakeisti ją į kitokias molekules būna brangu ir tam reikia daug energijos. Tačiau, pasak Liu, „Sugebėjome suporuoti elektrocheminį CO₂ konversiją į etanolį su elektros tinklu ir pasinaudojome pigia ne piko režimo atsinaujinančių elektros šaltinių – vėjo ir saulės jėgainių – energija.“ Kadangi procesas vyksta žemoje temperatūroje ir žemame slėgyje, jis gali būti greitai pradėtas ir sustabdytas, prisitaikant prie nepastovaus atsinaujinančios energijos tiekimo.

Komanda pasinaudojo dviem DoE Mokslo tarybos įrenginiais Argonne — Pažangiu protonų šaltiniu (Advanced Photon Source – APS) ir Nanometriniųų medžiagų centru (Center for Nanoscale Materials – CNM), — o taip pat Argonne laboratorijos skaičiavimo centru (Argonne's Laboratory Computing Resource Center – LCRC). „Stipriu APS rentgeno fotonų srautu pavyko aptikti elektrocheminių reakcijų metu vykstančius struktūrinius katalizatoriaus pokyčius,“ pažymėjo Tao Li, Šiaurės Ilinojaus universiteto Chemijos ir biochemijos fakulteto asist. profesorius ir Argonne Rentgenografijos padalino mokslininkas. Šie duomenys kartu su CNM atliekama aukštos raiškos elektronine mikroskopija ir kompiuteriniu modeliavimu LCRC, parodė grįžtamą transformaciją, kai žemoje įtampoje susmulkintas varis sukimba po tris atomus. CO₂ virtimo etanoliu katalizavimas vyksta būtent ant šių vario atomų trijulių. Šis atradimas nušviečia tolesnes katalizės racionalizavimo galimybes.

„Naudodami tokią techniką, Jau parengėme kelis naujus katalizatorius ir paaiškėjo, kad jie visi labai efektyviai verčia CO₂ kitais angliavandeniliais,“ sakė Liu. „Šiuos tyrimus planuojame tęsti, bendradarbiaudami su pramone vystyti šią perspektyvią technologiją.“

Joseph E. Harmon
phys.org

Daugiau informacijos:Haiping Xu et al, Highly selective electrocatalytic CO2 reduction to ethanol by metallic clusters dynamically formed from atomically dispersed copper, Nature Energy(2020). DOI: 10.1038/s41560-020-0666-x