Мідні каталізатори відновили вуглекислий газ до чистого етилену

Хіміки розробили метод синтезу каталізатора з дендритною структурою на основі міді, який дозволяє селективно відновлювати вуглекислий газ до етилену. Концентрація побічних продуктів в кінцевій суміші становить близько напівпроцента, повідомляють вчені в.

Відновлення вуглекислого газу до вуглеводнів, які можна використовувати в подальшому в якості палива, - один із способів зниження концентрації вуглекислого газу в атмосфері. Оскільки при цьому не використовується викопне паливо, то кількість вуглецю у вуглецевому циклі при цьому зберігається на колишньому рівні. Тому пошук ефективних каталізаторів для відновлення вуглекислого газу - одне з актуальних завдань сучасної хімії. При цьому дуже важливим є вибір кінцевого продукту такої реакції: залежно від його складу або агрегатного стану залежить спосіб подальшого транспортування та використання отриманого вуглеводню. Іноді зручніше отримувати газоподібний метан, а іноді більш доцільне отримання, наприклад, етанолу, етилену або більш великих молекул.

Хіміки з Канади і США під керівництвом Едварда Сарджента (Edward H. Sargent) з Канадського інституту перспективних досліджень розробили метод отримання каталізатора з контрольованою морфологією, який селективно відновлює вуглекислий газ до етилену C₂H₄. Як матеріал каталізатора вчені запропонували використовувати мідь - єдиний із застосовуваних для каталізу металів, який може відновити вуглекислий газ саме до етилену (використання інших металів для відновлення CO₂, як правило, призводить до отримання оксиду вуглецю (II), мурашиної кислоти або метану).

Проблема використання міді в якості каталізатора полягає в тому, що в результаті її дії утворюється суміш вуглеводнів (в першу чергу - метану і етилену), точний склад якої дуже складно контролювати. Щоб цю проблему вирішити, для синтезу каталізатора вчені запропонували використовувати електрохімічне переосадження міді. Для цього спочатку був синтезований попередній реагент - гідроксихлорид міді складу Cu₂ (OH₎ 3Cl, який потім частково розчинявся, і під дією зовнішньої напруги на поверхню осаджувалися наночастинки міді. При цьому залежно від доданої напруги таким способом можна отримати мідні наночастинки різної форми: у вигляді наноігл, нановолосків або дендритних структур.

Залежно від типу структури та ступеня окислення міді в каталізаторах, що утворилися, вони можуть призводити до отримання різних продуктів при відновленні вуглекислого газу. Щоб точно проконтролювати склад каталізатора, автори роботи використовували рентгенівську спектроскопію, яка дала можливість простежити за зміною ступеня окислення міді в процесі протікання реакції.

В результаті вченим вдалося домогтися отримання такого каталізатора, в якому поєднується велика кривизна поверхні і присутність в структурі іонів міді Cu +. Наявність сильно викривлених ділянок призводить до збільшення кількості центрів нуклеації газових бульбашок, що, разом з дією іонів однозарядної міді, призводить до збільшення pH середовища, і придушення реакції з утворенням метану. Такий каталізатор дозволяє селективно отримувати саме етилен: співвідношення між етиленом і метаном в кінцевій суміші продуктів склало 200 до 1. За словами вчених, запропонований ними каталізатор досить перспективний для процесів переробки вуглекислого газу з подальшим отриманням з нього пластику, в першу чергу поліетилену.

Відновлення вуглекислого газу - далеко не єдина хімічна реакція, для якої актуально створення ефективних каталізаторів. Зокрема, вчені активно шукають каталізатори для реакцій окислення чадного газу і розкладання метану на прості речовини. Детальніше про те, створення яких каталізаторів зараз найбільш актуально для вирішення сучасних екологічних проблем і технологічних завдань, ви можете прочитати в інтерв'ю з британським хіміком Гремом Хатчінгсом.