Ученые разработали эффективные катализаторы для получения метана из СО₂
Простую стратегию создания катализаторов на основе медно-кобальтовых сплавов для высокоэффективного электрокаталитического восстановления диоксида углерода (углекислого газа, СО₂) разработала исследовательская группа университета Сучжоу, 12 августа сообщает сайт новостей науки EurekAlert со ссылкой на пресс-службу университета Цинхуа.
Результаты исследования ученых опубликованы в статье «Атомно-дисперсный сплав Co-Cu, реконструированный из металлоорганического каркаса для стимулирования электрохимического метанирования СО₂» журнала Nano Research.
В своей статье авторы отмечают, что энергопотребление в процессе индустриализации потребовало широкого использования ископаемого топлива, что приводило к большим выбросам углекислого газа, который явился основной причиной глобального потепления и закисления океана.
Для ограничения выбросов СО₂ привлекательным является электрокаталитическое сокращение его выбросов, основанное на возобновляемых источниках энергии, так как такой путь одновременно решает как ресурсный, так и экологический кризисов, пояснили разработчики выбор направления своего исследования. А именно — электровосстановление двуокиси углерода в топливо.
Ученые для преодоления низкой эффективности существующих катализаторов для восстановления метана выбрали металлоорганические каркасы. Профессор Ян Пэн из Института инноваций в области энергетики и материалов университета Сучжоу пояснил:
«Металлоорганические каркасы воспринимаются как уникальная категория катализаторов электрохимической реакции восстановления диоксида углерода, поскольку они предлагают настраиваемую платформу для систематического изменения координации металлических участков, регулирования слоя Гельмгольца и контроля связывания промежуточных соединений». Слой Гельмгольца возникает там, где электронный проводник вступает в контакт с ионным проводником.
Однако в этом случае ограничивающей проблемой остается стабильность металлоорганических каркасов во время электролитического процесса. Решая ее, команда воспользовалась однородно распределенными металлическими центрами металлоорганического каркаса.
Исследователи создали электрохимически восстановленные медно-кобальтовые сплавы, которые обеспечивают в процессе электрокаталитического восстановления диоксида углерода очень высокую метановую активность и селективность.
При разработке и исследовании своей стратегии команда использовала рентгеновскую адсорбционную спектроскопию и инфракрасную спектроскопию с ослабленной поверхностью полного отражения.
Кроме создания стратегии создания катализаторов электрокаталитического восстановления диоксида углерода посредством электрохимической реконструкции биметаллических металлоорганических каркасов, выполненное учеными исследование позволило получить важные сведения об управлении электрокаталитическим восстановлением СО₂ на меди посредством атомного легирования 3d-переходных металлов (элементы периодической таблицы от титана до меди).
Варьируя концентрацию легирующего кобальта, команда добилась замечательного КПД по метану — 60% при высокой рабочей плотности тока.
«Самое важное сообщение, которое мы хотели бы донести в этой работе, заключается в том, что путем атомарного легирования меди другими 3d-переходными металлами, даже в небольшом количестве, можно контролируемо модулировать энергетику и путь электрокаталитического восстановления диоксида углерода», — заявил Пэн.
В своих последующих исследованиях команда хочет добиться большей стабильности. «Наша конечная цель — добиться производительности и стабильности производства метана в промышленных масштабах, а также реализовать рациональное использование углекислого газа экологически безопасным способом», — заключил профессор Пэн.
