Химики из Национальной лаборатории Оак Ридж разработали катализатор, способный превращать растворенный в воде углекислый газ в этанол под действием электрического тока. Катализатор состоит из углеродного наноматериала — «углеродных наношипов», на котором располагаются медные наночастицы. Ученые отмечают высокую селективность катализатора — 84 процента: из широкого спектра органических веществ он восстанавливает димеры углекислого газа в первую очередь в этанол. Хотя разработку еще нельзя применять в промышленности, она открывает новые пути к синтезу биотоплива. Исследование опубликовано в журнале ChemistrySelect.

Электрохимические реакции — класс реакций, протекающих под действием химического тока. К ним относятся, например, электролиз водных растворов, меднение или никелирование различных изделий под действием тока. В случае органических веществ электрохимические реакции могут приводить к более сложным превращениям, нежели восстановление металла из его соли. Так, при электролизе солей уксусной кислоты (CH₃COO^-) на аноде происходит выделение этана (С₂H₆) в результате сложного многостадийного превращения — электросинтеза Кольбе. 

Одна из задач, решаемых сегодня химиками, — вовлечение в подобные реакции углекислого газа. Это позволит получать топливо из продуктов горения и, возможно, снизить потребность в ископаемом топливе (нефти и угле). Существуют катализаторы, которые способны с высоким выходом (из расчета грамм вещества на кулон прошедшего заряда) преобразовывать CO₂ в метан. Однако эффективность синтеза органических веществ, более сложных, чем метан, все еще невелика. Вместе с тем, сложные органические вещества представляют большой интерес с точки зрения химической промышленности.

Микрофотография катализатора. Dr. Yang Song et al. / ChemistrySelect, 2016

Ранее химики выяснили, что при восстановлении углекислого газа на медных электродах происходит образование сразу ряда соединений — муравьиной кислоты, этилена, метана, угарного газа, этана и этанола. Но добиться высокого выхода индивидуального вещества удавалось лишь в сходной реакции восстановления угарного газа (CO). В новой работе ученые, по их собственному признанию, случайно открыли способ эффективного превращения углекислого газа в этанол.

Микрофотография катализатора. Dr. Yang Song et al. / ChemistrySelect, 2016

Химики создали катализатор, в основе которого лежат углеродные наношипы. Этот материал представляет собой тонкую пленку с остроконечными выростами длиной до 80 нанометров (тысячных долей микрона) и диаметром вершины всего в два нанометра. Ученые использовали углерод с небольшим допированием (примесью) азота. На тонкую пленку авторы осадили медные наночастицы, после чего погрузили катализатор в воду вместе с еще одним электродом и подали на них напряжение. 

По словам ученых, в электрохимическую реакцию вступали димеры (пары молекул) углекислого газа, растворенного в воде. Происходила реакция 12-электронного восстановления с участием молекул воды, механизм которой еще не до конца изучен химиками — образовывалась молекула этанола. Как рассказывают авторы, селективность, или избирательность, катализатора связана с наличием активных центров как на наночастицах меди, так и на углероде. Вероятно, именно их сочетание приводит к такому результату. Выход реакции по току составляет 63 процента, а примеси к продуктам восстановления составляют не более 16 процентов.

Ученые отмечают, что катализатор требует при работе большого перенапряжения — превышения рабочего напряжения над теоретически необходимым. Это может помешать его использованию в промышленности, поскольку перенапряжение приводит к потерям энергии. Тем не менее, существуют способы бороться с ним, например, с помощью оптимально подобранного растворителя.

Ранее химики из Университета Южной Калифорнии нашли эффективный метод превращения атмосферного углекислого газа в метанол — более легкий спирт, чем этанол. Другая группа ученых из Университета Джорджа Вашингтона предложила методику превращения углекислого газа в углеродные волокна, используемые в композитных материалах.

Автор: Владимир Королёв