Naukowcy opracowali metodę wydajnego przekształcania dwutlenku węgla w metanol przy użyciu energii elektrycznej i nowatorskiego katalizatora, dostarczając wiedzy, która może zrewolucjonizować procesy katalityczne i produkcję paliw alternatywnych.
Badanie ujawniło bardziej efektywną metodę wytwarzania metanolu.
Chemicy od lat starają się syntetyzować cenne materiały z cząsteczek odpadów. Obecnie międzynarodowy zespół naukowców bada, w jaki sposób energia elektryczna może uprościć ten proces.
W swoim badaniu, opublikowanym niedawno w Kataliza naturybadacze wykazali, że dwutlenek węgla będący gazem cieplarnianym można w bardzo wydajny sposób przekształcić w rodzaj ciekłego paliwa zwanego metanolem.
Proces ten polegał na pobraniu cząsteczek ftalocyjaniny kobaltu (CoPc) i równomiernym rozprowadzeniu ich na nanorurkach węglowych, grafen-podobne do rur, które mają unikalne właściwości elektryczne. Na ich powierzchni znajdował się roztwór elektrolitu, który przepuszczając przez niego prąd elektryczny, umożliwiał cząsteczkom CoPc pobieranie elektronów i wykorzystywanie ich do zamiany dwutlenku węgla w metanol.
Obserwowanie reakcji chemicznych
Korzystając ze specjalnej metody opartej na spektroskopii in situ do wizualizacji reakcji chemicznej, badacze po raz pierwszy zaobserwowali, że cząsteczki te przekształcają się w metanol lub tlenek węgla, co nie jest pożądanym produktem. Odkryli, że o drodze reakcji decyduje środowisko, w którym reaguje cząsteczka dwutlenku węgla.
Dostrojenie tego środowiska poprzez kontrolowanie sposobu rozmieszczenia katalizatora CoPc na powierzchni nanorurki węglowej pozwoliło zwiększyć prawdopodobieństwo, że dwutlenek węgla będzie aż ośmiokrotnie bardziej wytwarzał metanol, co może zwiększyć wydajność innych procesów katalitycznych i mieć szeroki wpływ na inne procesy katalityczne. dziedzinach, powiedział Robert Baker, współautor badania i profesor chemii i biochemii na Uniwersytecie Stanowym Ohio.
„Kiedy weźmiesz dwutlenek węgla i przekształcisz go w inny produkt, możesz wytworzyć wiele różnych cząsteczek” – powiedział. „Metanol jest zdecydowanie jednym z najbardziej pożądanych, ponieważ ma tak dużą gęstość energii i może być bezpośrednio wykorzystany jako paliwo alternatywne”.
Choć przekształcanie cząsteczek odpadów w użyteczne produkty nie jest zjawiskiem nowym, dotychczas badacze często nie byli w stanie obserwować, jak faktycznie zachodzi reakcja, co stanowi kluczowy wgląd w możliwość optymalizacji i ulepszenia procesu.
„Możemy empirycznie zoptymalizować działanie czegoś, ale tak naprawdę nie mamy pojęcia, co sprawia, że to działa lub co sprawia, że jeden katalizator działa lepiej niż inny” – powiedział Baker, który specjalizuje się w chemii powierzchni, badaniu wpływu substancji chemicznych reakcje zmieniają się, gdy pojawiają się na twarzy różnych obiektów. „Bardzo trudno jest odpowiedzieć na te pytania”.
Zaawansowane techniki spektroskopowe
Jednak dzięki specjalnym technikom i modelowaniu komputerowemu zespół znacznie zbliżył się do zrozumienia złożonego procesu. W tym badaniu naukowcy wykorzystali nowy rodzaj spektroskopii wibracyjnej, która pozwoliła im zobaczyć, jak cząsteczki zachowują się na powierzchni, powiedział Quansong Zhu, główny autor badania i były stypendysta prezydenta stanu Ohio, którego trudne pomiary były kluczowe dla odkrycia.
„Na podstawie ich sygnatur wibracyjnych mogliśmy stwierdzić, że była to ta sama cząsteczka znajdująca się w dwóch różnych środowiskach reakcyjnych” – powiedział Zhu. „Udało nam się ustalić, że jedno z tych środowisk reakcji było odpowiedzialne za produkcję metanolu, cennego paliwa ciekłego”.
Według badania głębsza analiza wykazała również, że cząsteczki te bezpośrednio oddziałują z doładowanymi cząstkami zwanymi kationami, które wzmacniają proces tworzenia metanolu.
Potrzebne są dalsze badania, aby dowiedzieć się więcej o tym, co jeszcze umożliwiają te kationy, ale takie odkrycie jest kluczem do osiągnięcia bardziej wydajnego sposobu wytwarzania metanolu, powiedział Baker.
„Widzimy systemy, które są bardzo ważne i dowiadujemy się o nich rzeczy, nad którymi zastanawialiśmy się od dawna” – powiedział Baker. „Zrozumienie wyjątkowej chemii zachodzącej na poziomie molekularnym jest naprawdę ważne dla umożliwienia tych zastosowań”.
Oprócz tego, że jest tanim paliwem do pojazdów takich jak samoloty, samochody i łodzie, metanol wytwarzany z energii odnawialnej może być również wykorzystywany do ogrzewania i wytwarzania energii, a także do przyszłych odkryć chemicznych.
„Na podstawie tego, czego się tutaj nauczyliśmy, może nastąpić wiele ekscytujących rzeczy, a niektóre z nich już zaczynamy wspólnie robić” – powiedział Baker. „Prace trwają”.
Odniesienie: „Środowisko solwatacyjne molekularnie zdyspergowanej ftalocyjaniny kobaltu determinuje selektywność metanolu podczas elektrokatalitycznej redukcji CO2” autorstwa Quansong Zhu, Conor L. Rooney, Hadar Shema, Christina Zeng, Julien A. Panetier, Elad Gross, Hailiang Wang i L. Robert Baker, 8 lipca 2024 r., Kataliza natury.
DOI: 10.1038/s41929-024-01190-9
Współautorami są Conor L. Rooney i Hailiang Wang Uniwersytet Yale, Hadar Shema i Elad Gross z Uniwersytetu Hebrajskiego oraz Christina Zeng i Julien A. Panetier z Uniwersytetu Binghamton. Praca ta była wspierana przez National Science Foundation i międzynarodową współpracę między Stanami Zjednoczonymi a Izraelem Binational Science Foundation (BSF).
