Ученые давно в поисках эффективных способов избавиться от выбросов углекислого газа из воздуха и переработки их в возобновляемое топливо. Но процесс превращения углекислого газа в полезные химические вещества долгий и дорогой, а, следовательно, экономически или экологически не жизнеспособный.
Но открытие исследователей из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли при Министерстве энергетики США (Berkeley Lab) и Объединенного центра искусственного фотосинтеза (JCAP) показало, что переработка углекислого газа в ценные химикаты и топливо может быть экономичной и эффективной — и все это благодаря одному медному катализатору.
Металл меди лишь кажется гладким, но на самом деле его поверхность неровная — и в этих выпуклостях, которые ученые называют «активными участками», происходит электрокатализ. Во время этого процесса электроны с поверхности меди взаимодействуют с углекислым газом и водой, после чего все это позволяет получать что-то наподобие этанолового топлива, а также этилена и пропанола (спирта, который широко используемый в фармацевтической промышленности).
Способность меди превращать углерод в различные полезные продукты была открыта еще в 80-е годы, но считалось, использовать медь в качестве катализатора для производства этанола, этилена, пропанола или других химических веществ на основе углерода крайне сложно – придется пройти множество этапов, чтобы отделить нежелательные остаточные химические вещества, образовавшиеся на промежуточных стадиях химической реакции, прежде чем удастся получить конечный химический продукт.
Однако исследователи Berkeley Lab и JCAP задались вопросом: что будет, если использовать электроны из солнечных элементов для управления определенными активными участками медного катализатора?
Предыдущие исследования показали, что «окисленная» или ржавая медь является отличным катализатором для получения этанола, этилена и пропанола. Исследователи предположили, что они могли бы проследить за происхождением химических веществ по изотопам углерода, что «очень похоже паспортные отметки, указывающими нам, в каких странах они побывали».
Поэтому в течение следующих нескольких месяцев группа исследователей провела серию экспериментов, используя два изотопа углерода — углерод-12 и углерод-13 — в качестве «паспортных марок». Двуокись углерода была помечена углеродом-12, а окись углерода помечена углеродом-13.
Согласно их методологии, ученые пришли к выводу, что соотношение углерода-13 и углерода-12 — «изотопная сигнатура» — найденное в продукте, будет определять, из каких активных центров возник химический продукт.
Во время экспериментов с применением масс-спектрометрии и ЯМР-спектроскопии (ядерный магнитный резонанс) в JCAP для анализа результатов, они обнаружили, что три продукта — этилен, этанол и пропанол — имели разные изотопные свойства. Они появились из разных частей катализатора.
Теперь группе светил предстоит изолировать и идентифицировать эти различные участки. Объединение этих специфичных для продукта участков в один катализатор поможет однажды привести к очень эффективному и селективному образованию химических продуктов.
Это стало бы началом простой химии с экологическим и экономическим уклоном.
— Возможно, однажды эта технология позволит создать что-то вроде нефтеперерабатывающего завода, но работающее благодаря солнечной энергии, который будет выводить углекислый газ из атмосферы и создавать поток полезных продуктов, — отметили исследователи.