Ученые из Университета Торонто и Калифорнийского технологического университета разработали новую улучшенную систему для эффективного преобразования воды и углекислого газа в этилен — предшественник широкого спектра пластмасс, которые применяются в различных областях от медицинских приборов до синтетических тканей. Статья исследователей опубликована в журнале Science.

Улавливать углекислый газ экономически невыгодно. Но его попадание в атмосферу чревато усилением парникового эффекта и, как следствие, глобального потепления. Выходом может стать превращение углекислого газа в промышленно важный продукт, такой как этилен.

Ранее исследователи опубликовали статью, описывающую использование электролизера, устройства, которое использует электричество для запуска химической реакции — для преобразования CO₂ в этилен с рекордной эффективностью. В этой системе реагенты — углекислый газ и вода — собираются вместе на поверхности катализатора на основе меди.

Но новая разработка не решила все проблемы. Например, при таком процессе не весь углекислый газ превращается в этилен. Значительная его часть реагирует с материалом электрода и образует побочные продукты — карбонаты. Они снижают не только выход целевого вещества, но и производительность процесса.

В новом исследовании ученые нашли способ решения проблемы. Они выяснили, что добавление органического иона арилпиридиния в катализатор позволяет избежать образования ненужных побочных продуктов синтеза этилена. Используя теоретические расчеты и эксперименты, ученые проверили активность более дюжины различных видов арилпиридинов, прежде чем выбрать один из них.

Нанесение тонкого слоя из этих молекул на поверхность медного катализатора значительно увеличило селективность реакции получения этилена. Это также привело к еще одному преимуществу — снижению рабочей кислотности среды реакции от основной до нейтральной. Это значит, что для проведения процесса теперь не требуется добавлять щелочь, а достаточно проводить его в нейтральной среде.

Улучшенный катализатор также продержался дольше, чем его предыдущая версия. Он оставался стабильным в течение почти 200 часов работы. Еще одно усовершенствование — увеличение площади поверхности катализатора в пять раз — дало ученым представление о проблемах, которые необходимо будет преодолеть, чтобы вывести производство этилена на промышленный уровень.