Новое исследование предлагает более чистый путь контроля воды и преобразования парниковых газов

Важные новости

Новое исследование предлагает более чистый путь для контроля воды, преобразования парниковых газов

Кластеризация и динамика воды. Фото: Природный катализ (2024 г.). DOI: 10.1038/s41929-024-01162-z

Ученые, стремящиеся превратить углекислый газ в чистое топливо и полезные химикаты, часто производят газообразный водород и карбонаты в качестве нежелательных побочных продуктов. Новая статья Притцкеровской школы молекулярной инженерии Университета Чикаго нашла более чистый путь.

Углекислый газ — это парниковый газ, ответственный за 78% изменений энергетического баланса в атмосфере Земли в период с 1990 по 2022 год.

Побочный продукт сжигания ископаемого топлива, углекислый газ попадает в атмосферу из выхлопных газов автомобилей и угольных электростанций. Даже некоторые возобновляемые источники энергии производят небольшое количество углекислого газа, хотя и в ничтожной части того количества, которое производят уголь и природный газ.

По своей сути эта молекула представляет собой всего лишь соединение одного углерода и двух кислорода. атомы, которые можно реорганизовать посредством процесса, называемого электрохимическим восстановлением углекислого газа (CO2R), в чистое топливо и полезные химические вещества. Но этот процесс часто протекает с убытком, поскольку конкурирующие процессы тянут атомы в нежелательных направлениях, создавая нежелательные побочные продукты.

В статье, опубликованной сегодня в Nature CatalysisИсследователи из лаборатории Аманчукву Притцкеровской школы молекулярной инженерии Калифорнийского университета в Чикаго обрисовали способ манипулирования молекулами воды, чтобы сделать CO2R более эффективным, с конечной целью создания экологически чистого энергетического цикла.

С помощью своего нового метода команда смог реализовать CO2R с почти 100% эффективностью в умеренно кислых условиях, используя в качестве катализаторов золото или цинк.

«Представьте, что мы можем получать зеленую электроэнергию от солнца и ветра, а затем использовать эту электроэнергию для преобразования углекислого газа обратно в топливо», — сказал доктор философии PME. кандидат Реджи Гомес, первый автор новой статьи.

Конкуренция с НЕЙ

Электрохимический разбор молекулы похож на брейк-шот в игре в бильярд. Предыдущее расположение исчезает, и шары разлетаются по столу, образуя новые комбинации – не всегда те, которые задумал игрок.

Аналогичным образом, исследователи, занимающиеся исследованием CO2R, используют электричество и воду для разрушения и перегруппировки вредных парниковых газов. При этом атомы углерода и кислорода из углекислого газа перемещаются по столу с атомами водорода из воды.

Если все работает по назначению, атомы образуют другие, более желательные молекулы, которые можно использовать в качестве топлива или химические вещества.

Но по мере того, как атомы рассеиваются, часто образуются стабильные пары двух атомов водорода — процесс, называемый реакцией выделения водорода (HER). Это делает CO2R менее эффективным, поскольку энергия и атомы, которые превращаются в газообразный водород, не могут быть частью молекул, которые пытались создать ученые.

Даже в небольших количествах воды CO2R всегда конкурирует с HER.

Лаборатория Аманчукву, наиболее известная своими исследованиями в области аккумуляторов, применила для решения этой проблемы идеи водных аккумуляторов, предположив, что контроль над водой осуществляется с помощью органических растворители могут решить проблему.

Все, что блестит

И CO2R, и HER полагаются на воду как на донора протонов. Используя органические растворители и кислотные добавки, команде удалось настроить поведение воды, найдя золотую середину, в которой она отдала нужное количество протонов для создания нужных молекул, а не газообразного водорода и других нежелательных материалов, таких как карбонаты.

«В общей химии мы узнаем, что углекислый газ реагирует с гидроксидом с образованием карбоната. Это нежелательно, потому что это истощает молекулу, которую мы хотим повысить», — сказал Чибуезе Аманчукву, доцент кафедры молекулярной инженерии семьи Нойбауэр.

Многие из наиболее эффективных способов снижения выбросов CO2 основаны на драгоценных металлах.

«Платина, серебро, золото — для исследовательских целей они являются отличными катализаторами», — сказал Гомес. «Это очень стабильные материалы. Но когда вы думаете о промышленном применении, они становятся непомерно дорогими».

Разработав электролит, новый метод может дать аналогичные результаты, используя более дешевые и распространенные материалы. .

«На данный момент лучший способ сделать это электрохимически при комнатной температуре — использовать драгоценные металлы. Золото и серебро могут немного подавить реакцию выделения водорода», — сказал Аманчукву. «Благодаря нашему открытию мы теперь можем использовать богатый землёй металл — цинк, потому что теперь у нас есть отдельный способ контролировать воду».

Дополнительная информация:< /strong> Реджинальдо Дж. Гомес и др., Модулирование водородных связей воды в неводной среде контролирует ее реакционную способность в электрохимических превращениях, Природный катализ (2024). DOI: 10.1038/s41929-024-01162-z

Информация журнала: Природный катализ

Предоставлено Чикагским университетом

Новости сегодня

Последние новости