Химики годами работали над синтезом ценных материалов из молекул отходов. Теперь международное сотрудничество ученых изучает способы использования электричества для оптимизации процесса.
В своем исследовании, недавно опубликованном в Природа КатализИсследователи продемонстрировали, что углекислый газ, парниковый газ, можно весьма эффективно преобразовать в жидкое топливо под названием метанол.
Этот процесс произошел путем взятия кобальта молекулы фталоцианина (CoPc) и равномерно распределив их на углеродных нанотрубках, графеноподобных трубках, которые обладают уникальными электрическими свойствами. На их поверхности находился раствор электролита, который, пропуская через него электрический ток, позволял Молекулы CoPc принимают электроны и используют их для превращения углекислого газа в метанол.
Используя специальный метод, основанный на спектроскопии in-situ, для визуализации химической реакции, исследователи впервые увидели, как эти молекулы превращаются либо в метанол, либо в оксид углерода, что не является желаемым продуктом. Они обнаружили, что путь реакции определяется средой, в которой реагирует молекула диоксида углерода.
Настройка этой среды путем управления распределением катализатора CoPc на поверхности углеродной нанотрубки позволила увеличить вероятность образования метанола из диоксида углерода в восемь раз. Это открытие может повысить эффективность других каталитических процессов и оказать широкое влияние на другие области, сказал Роберт Бейкер, соавтор исследования и профессор по химии и биохимии в Университете штата Огайо.
«Когда вы берете углекислый газ и превращаете его в другой продукт, вы можете получить множество различных молекул», — сказал он. «Метанол, безусловно, один из самых востребованных, поскольку он обладает такой высокой плотностью энергии и может использоваться напрямую в качестве альтернативного топлива».
Хотя преобразование молекул отходов в полезные продукты не является новым явлением, до сих пор исследователи часто не имея возможности наблюдать, как на самом деле происходит реакция, что является важным пониманием возможности оптимизировать и улучшить процесс.
«Мы можем эмпирически оптимизировать работу чего-либо, но на самом деле у нас нет понимания того, что заставляет это работать или что заставляет один катализатор работать лучше другого», — сказал Бейкер, который специализируется на химия поверхности, наука о том, как изменяются химические реакции, происходящие на поверхности различных объектов. «На эти вопросы очень сложно ответить».
Но с помощью специальных методов и компьютерного моделирования команда значительно приблизилась к пониманию сложного процесса. В этом исследовании ученые использовали новый тип колебательной спектроскопии, который позволил им увидеть, как молекулы ведут себя на поверхности, сказал Куансонг Чжу, ведущий автор исследования и бывший президентский стипендиат штата Огайо, чьи сложные измерения имели решающее значение для открытия.
«Мы смогли определить по их вибрационным сигнатурам, что это была одна и та же молекула, находящаяся в двух разных реакционных средах», — сказал Чжу. «Мы смогли установить, что одна из этих реакционных сред отвечала за производство метанола, который является ценным жидким топливом».
Согласно исследованию, более глубокий анализ также показал, что эти молекулы напрямую взаимодействуют с сверхзаряженными частицами, называемыми катионами, которые усиливают процесс образования метанола.
По словам Бейкера, необходимы дополнительные исследования, чтобы узнать больше о том, какие еще возможности обеспечивают эти катионы, но такое открытие является ключом к достижению более эффективного способа производства метанола.
«Мы видим очень важные системы и узнаем о них то, что долгое время вызывало вопросы», — сказал Бейкер. «Понимание уникальной химии, которая происходит на молекулярном уровне, действительно важно для реализации этих приложений».
Помимо того, что метанол, полученный из возобновляемой электроэнергии, является недорогим топливом для таких транспортных средств, как самолеты, автомобили и суда, его можно также использовать для отопления и выработки электроэнергии, а также для продвижения будущих химических открытий.
«На основе того, что мы узнали здесь, может произойти много интересного, и кое-что из этого мы уже начинаем делать вместе», — сказал Бейкер. «Работа продолжается».
Соавторами являются Конор Л. Руни и Хайлян Ван из Йельского университета, Хадар Шема и Элад Гросс из Еврейского университета, а также Кристина Цзэн и Жюльен А. Панетье из Университет Бингемтона. Эта работа была поддержана Национальным научным фондомd Международное сотрудничество Двустороннего научного фонда США и Израиля (BSF).
