Химики разработали новую структуру каталитической ячейки, которая позволяет с высокой эффективностью превращать углекислый газ в этилен. Совмещение в ячейке катализатора из наночастиц меди, осажденных на тефлоновую мембрану, с щелочным электролитом, позволяет увеличить выход по току до 70 процентов и при этом увеличить время работы ячейки до 150 часов, пишут ученые в Science.

Один из способов уменьшить содержание углекислого газа в атмосфере — его химическая переработка, в результате которой образуются простые органические вещества, используемые потом в качестве топлива или сырья, например, для получения полимерных материалов. Требования к агрегатному состоянию и химическим свойствам полученного продукта сильно зависят от способов его дальнейшего использования, поэтому химики разрабатывают технологии превращения углекислого газа в различные соединения, как правило из числа простейших углеводородов или спиртов. Один из наиболее популярных продуктов восстановления — это этилен, который потом можно использовать для получения пластика. Такой процесс позволяет одновременно и уменьшать концентрацию углекислого газа в воздухе, и предотвращать образование нового углекислого газа, неизбежное при получение этилена из ископаемых ресурсов.

Микрофотография наночастиц меди на поверхности тефлоновых волокон. C.-T. Dinh et al./ Science, 2018

Как правило, для превращения углекислого газа в этилен используются катализаторы на основе меди, с помощью которых сейчас можно свести к минимуму концентрацию побочных продуктов в полученной смеси. Однако у большинства современных катализаторов для восстановления углекислого газа до этилена есть три основных проблемы: низкая эффективность, низкая скорость получения продукта и небольшое время работы катализатора. Если даже удается справиться с одной из этих проблем, то две другие, как правило, остаются нерешенными. Однако химикам из Канады и Китая под руководством Эдварда Сарджента (Edward H. Sargent) из Университета Торонто удалось найти такую структуру каталитической ячейки, которая позволяет одновременно решить все три этих проблемы. Предложенная авторами ячейка, в которой происходит процесс образования этилена из углекислого газа, работает за счет электрохимической реакции восстановления с потенциалом −0,5 вольта относительно обратимого водородного электрода.

Схема устройства каталитической ячейки для восстановления углекислого газа до этилена. C.-T. Dinh et al./ Science, 2018

Ученые использовали гидрофобную тефлоновую пленку, которая работает в качестве газодиффузионного слоя, на который последовательно нанесли слои медных наночастиц, углеродных наночастиц и графита. В качестве электролита в ячейке использовался гидроксид калия (концентрацией от 1 до 10 моль на литр), который увеличивал устойчивость катализатора и препятствовал образованию монооксида углерода. Эффективность работы каталитической ячейки ученые оценивали, измеряя выход по току (по образовавшемуся этилену), который составил 70 процентов. Это примерно на 10 процентов больше, чем у подобных ячеек с другими типами катализаторов и электролитов. Кроме этилена, углекислый газ в такой ячейке также восстанавливается до ацетат-ионов и этанола, однако содержание каждого из них не превышает 10 процентов.

Кроме эффективности работы предложенной ячейки химики также проверили устойчивость ее работы с точки зрения химической и физической деградации используемых материалов. Оказалось, что, в отличие от других подобных систем, длительность работы предложенного катализатора достигает 150 часов, в течение которых его эффективность не падает. Для сравнения, эффективность медного катализатора, нанесенного на поверхность углеродного газодиффузионного электрода за полчаса работы снижается с 60 процентов более чем в два раза.

Изменение эффективности по току трех типов катализаторов при активной работе каталитической ячейки. C.-T. Dinh et al./ Science, 2018

Ученые отмечают, что при изменении концентрации щелочи в электролите можно изменять условия работы: потенциал реакции и эффективность ячейки. Кроме того, по словам химиков, в такой системе довольно легко заменить состав катализатора, чтобы проводить и другие химические реакции, при этом сохраняя гибкость метода, устойчивость ячейки к химическому и физическому старению и высокий выход по току. Этилен — далеко не единственное вещество, которое ученые предлагают получать, восстанавливая углекислый газ с помощью катализаторов. Например, недавно химики предложили использовать похожий катализатор на основе медных наночастиц, нанесенных на углеродный электрод, для электровосстановления углекислого газа до этилового спирта. Другая группа ученых получила фотокатализатор на основе оксидов меди и цинка, с помощью которого можно превращать углекислый газ в метан без побочных продуктов. Подробнее об актуальных проблемах современной химии катализаторов, в том числе необходимых для восстановления углекислого газа, вы можете прочитать в интервью с британским химиком Грэмом Хатчингсом.

Автор: Александр Дубов