Новый катализатор, построенный из изолированных атомов индия, позволяет ученым конвертировать CO2 в метанол более эффективно, раскрывая при этом скрытый химический состав, который управляет реакцией.
Метанол является важным строительным блоком для многих химических продуктов. Ученые при ETH Цюрих в настоящее время разработали высокоэффективный метод получения этого соединения из диоксида углерода (CO)2) и водород с использованием катализаторов, изготовленных из отдельных атомов металла.
Каждая химическая реакция должна преодолеть энергетический барьер, прежде чем она может произойти. В простых ситуациях этот барьер может быть относительно небольшим. Например, наведение спички дает достаточно энергии, чтобы начать реакцию. Однако во многих промышленных процессах требуемая энергия намного выше. Поставка этой энергии увеличивает эксплуатационные расходы.
Чтобы облегчить начало реакций, химики полагаются на катализаторы. Эти вещества ускоряют химические реакции, не расходуясь при этом. Многие из наиболее эффективных катализаторов содержат металлы, в том числе редкие и дорогие.
Лучше, эффективнее и не оставляя ничего на волю случая
Химики уже сообщили о значительном прогрессе в исследованиях катализаторов:
Команда создала катализатор, который значительно снижает энергию, необходимую для производства метанола, спирта, из парниковых газов CO2 и водород.
В их конструкции чрезвычайно эффективно используется металлический индий. Каждый отдельный индий атом действует как активный центр, где происходит химическая реакция.
Катализатор также дает ученым более четкое представление о химических процессах, происходящих на его поверхности. В прошлом разработка катализатора часто основывалась на методе проб и ошибок. Новая система позволяет исследователям более точно изучать механизмы реакций, что может поддержать более систематический подход к разработке будущих катализаторов.
Швейцарский армейский нож зеленой химии
“Метанол является универсальным предшественником для производства широкого спектра химических веществ и материалов, таких как пластмассы – швейцарский армейский нож химии, так сказать,” говорит Хавьер Перес-Рамирес, профессор инженерии катализа в ETH Zurich. Таким образом, жидкость играет жизненно важную роль в переходе к устойчивому и свободному от ископаемого топлива производству химических продуктов и топлива.
Поскольку метанол может превращаться в топливо, пластмассы и многие другие продукты, он играет важную роль в усилиях по переходу к более устойчивому и свободному от ископаемого топлива производству.
Если водород, необходимый для реакции, и энергия, которая управляет каталитическим процессом, производятся с использованием возобновляемых источников, сам метанол может быть изготовлен климатически нейтральным способом. В таком случае CO2 из атмосферы станет сырьем, а не просто отходами, выбрасываемыми в воздух.
Максимальное использование металлов
“Наш новый катализатор имеет одноатомную архитектуру, в которой изолированные активные атомы металла закреплены на поверхности специально разработанного материала носителя,” Pérez-Ramírez объясняет. С другой стороны, в обычных катализаторах металлы обычно присутствуют в виде агрегатов, обычно мелких частиц. Хотя эти частицы крошечные, они часто содержат от ста до нескольких тысяч атомов металлов.
В обычных катализаторах металлы обычно присутствуют в виде кластеров или наночастиц. Несмотря на то, что эти частицы чрезвычайно малы, каждая из них может содержать от ста до нескольких тысяч атомов металла. В реакции активно участвуют только атомы на поверхности.
Одноатомные катализаторы направлены на устранение этой неэффективности. Диспергируя металлы в виде отдельных атомов, исследователи могут максимально использовать дефицитные и дорогостоящие элементы. В некоторых случаях эта стратегия может даже сделать драгоценные металлы экономически практичными для крупномасштабного промышленного использования.
Работа на уровне отдельных атомов также может изменить химическое поведение металла. “Indium уже используется в этом катализаторе более десяти лет,” говорит Перес-Рамирес. “В нашем исследовании мы показываем, что изолированные атомы индия на оксиде гафния позволяют более эффективно использовать CO2- синтез метанола на основе индия в виде наночастиц, содержащих большое количество атомов.”
Одиночные атомы в нужном месте
Закрепление отдельных атомов индия на поверхности оксида гафния потребовало тщательной разработки. Междисциплинарная команда ETH разработала несколько синтетических маршрутов в сотрудничестве с исследователями из других учреждений.
Решающим фактором стала конструкция опорного материала. Его структура обеспечивает стабильную и химически активную обстановку, позволяя выделенным атомам оставаться на месте, продолжая участвовать в реакции.
В одном из производственных подходов, протестированных исследователями, исходные материалы сжигаются в пламени при температуре от 2000 до 3000°C (около 3600-5400°F), а затем очень быстро охлаждаются. В этих экстремальных условиях атомы индия имеют тенденцию оставаться на поверхности, где они прочно внедряются.
Включив атомы металла в термостойкий носитель из оксида гафния, ученые продемонстрировали, что одноатомные катализаторы могут оставаться стабильными даже в сложных условиях. Это имеет решающее значение, поскольку промышленное производство метанола из CO2 а для водорода требуются температуры до 300°C (около 572°F) и давления до 50 раз выше нормального атмосферного давления.
Взаимодействие металла катализатора с матрицей
Еще одним преимуществом одноатомных катализаторов является то, что их легче анализировать.
При использовании традиционных катализаторов на основе наночастиц большинство измерительных сигналов исходит от атомов внутри частиц, хотя реакцией управляют только поверхностные атомы. Это затрудняет точное определение того, что происходит в процессе.
Напротив, когда металлы диспергированы в виде изолированных атомов, посторонних сигналов гораздо меньше. Исследователи могут более четко наблюдать за происходящими механизмами реакции.
Перес-Рамирес исследовал улучшенные катализаторы производства метанола из CO2 в ETH с 2010 года. Он также тесно сотрудничает с промышленностью и имеет несколько патентов в этой области.
По словам Переса-Рамиреса, центральную роль в этом достижении сыграла сильная сеть исследований катализа в Швейцарии. “Разработка метанольного катализатора и детальный анализ механизма были бы невозможны без этого междисциплинарного опыта.”
