Химики уже много лет работают над синтезом ценных материалов из молекул отходов. Теперь международное сотрудничество ученых исследует способы использования электричества для оптимизации этого процесса.
В своем исследовании, недавно опубликованном в Катализ природыИсследователи продемонстрировали, что углекислый газ, парниковый газ, можно очень эффективно превращать в жидкое топливо, называемое метанол.
Этот процесс происходил при приеме кобальта молекулы фталоцианина (CoPc) и распределяя их равномерно на углеродных нанотрубках, графеноподобных трубках, обладающих уникальными электрическими свойствами. На их поверхности находился электролитический раствор, который, пропуская через него электрический ток, позволял Молекулы CoPc захватывают электроны и используют их для преобразования углекислого газа в метанол..
Используя специальный метод, основанный на спектроскопии in situ, для визуализации химической реакции, исследователи впервые увидели, как эти молекулы превращаются в метанол или окись углерода, что не является желаемым продуктом. Они обнаружили, что путь реакции определяется средой, в которой реагирует молекула углекислого газа.
Настройка этой среды путем контроля того, как катализатор CoPc распределяется на поверхности углеродных нанотрубок, позволила углекислому газу в восемь раз чаще производить метанол. повысить эффективность других каталитических процессов и оказать широкое влияние на другие области, сказал Роберт Бейкер, соавтор исследования и профессор по химии и биохимии из Университета штата Огайо.
«Когда вы берете углекислый газ и превращаете его в другой продукт, вы можете создать множество разных молекул», — сказал он. «Метанол, несомненно, является одной из самых востребованных молекул, поскольку он имеет очень высокую плотность энергии и может использоваться непосредственно в качестве альтернативного топлива. »
Хотя превращение молекул отходов в полезные продукты не является новым явлением, исследователям до сих пор удалось Часто они не могли наблюдать, как на самом деле происходила реакция, что имеет решающее значение для оптимизации и улучшения процесса.
«Мы можем эмпирически оптимизировать работу чего-либо, но на самом деле не понимаем, что заставляет это работать или что делает один катализатор лучше другого», — сказал Бейкер, специализирующийся на химия поверхности, изучение того, как изменяются химические реакции, когда они происходят на поверхности различных объектов. «На эти вопросы очень сложно ответить. »
Но благодаря специальным методикам и компьютерному моделированию команде удалось значительно приблизиться к пониманию этого сложного процесса. В этом исследовании исследователи использовали новый тип колебательной спектроскопии, который позволил им увидеть, как молекулы ведут себя на поверхности, сказал Цюаньсун Чжу, ведущий автор исследования и бывший научный сотрудник штата Огайо, чьи сложные измерения были необходимы для этого. открытие.
«По их колебательным признакам мы смогли определить, что это одна и та же молекула в двух разных реакционных средах», — сказал Чжу. «Нам удалось связать одну из этих реакционных сред с производством метанола, ценного жидкого топлива. »
Согласно исследованию, дальнейший анализ также показал, что эти молекулы напрямую взаимодействовали с сверхзаряженными частицами, называемыми катионами, которые усиливали процесс образования метанола.
Необходимы дополнительные исследования, чтобы узнать больше о том, на что влияют эти катионы, но такое открытие имеет важное значение для достижения более эффективного способа создания метанола, сказал Бейкер.
«Мы обнаруживаем очень важные системы и изучаем о них то, что долгое время подвергалось сомнению», — сказал Бейкер. «Понимание уникальной химии, происходящей на молекулярном уровне, необходимо для реализации этих приложений. »
Помимо того, что метанол, производимый из возобновляемых источников электроэнергии, является дешевым топливом для таких транспортных средств, как самолеты, автомобили и лодки, он также может использоваться для отопления и производства электроэнергии, а также для продвижения будущих химических открытий.
«Учитывая то, чему мы здесь научились, в будущем может произойти много интересных вещей, и некоторые из них мы уже начали делать вместе», — сказал Бейкер. «Работа ведется. »
В число соавторов входят Конор Л. Руни и Хайлян Ван из Йельского университета, Хадар Шема и Элад Гросс из Еврейского университета, а также Кристина Цзэн и Жюльен А. Панетье из Бингемтонский университет. Эта работа была поддержана Национальным научным фондом иd международное сотрудничество Американо-израильского двунационального научного фонда (BSF).
