Химики разработали метод синтеза катализатора с дендритной структурой на основе меди, который позволяет селективно восстанавливать углекислый газ до этилена. Концентрация побочных продуктов в конечной смеси составляет около полупроцента, 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. Поэтому поиск эффективных катализаторов для восстановления углекислого газа — одна из актуальных задач современной химии. При этом очень 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.

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).

Микрофотография медного катализатора для восстановления углекислого газа. Canadian Light Source

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 ученые предложили использовать электрохимическое переосаждение меди. Для этого сначала был синтезирован предварительный реагент — гидроксихлорид меди состава Cu₂(OH)₃Cl, который затем частично растворялся, и под действием внешнего напряжения на поверхность осаждались наночастицы меди. При этом 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 углекислого газа с использованием метода электрохимического переосаждения. P. De Luna et al./ Nature Catalysis, 2018

В зависимости от типа структуры и степени окисления меди в образовавшихся катализаторах, они могут приводить к получению различных продуктов при восстановлении углекислого газа. Чтобы точно проконтролировать состав катализатора, авторы работы использовали рентгеновскую спектроскопию, которая дала 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.

Автор: Александр Дубов