Ученые РФ и Китая создают новый класс катализаторов для переработки СО2

Ученые разных стран работают над созданием технологий и продуктов для достижения углеродной нейтральности – снижения выбросов углекислого газа до нуля. Химики России и Китая предложили свой подход для достижения данной цели – они разрабатывают новый класс катализаторов для переработки углекислоты в синтез-газ. Этот ценный полупродукт используется в химической промышленности для получения различного сырья и в качестве экологически чистого источника энергии. Описание нового подхода изложено учеными Томского государственного университета и Сямэньского университета (Xiamen University) в статье, опубликованной в высокорейтинговом журнале Journal of Catalysis (Q1).

– Новый материал представляет собой катализатор, содержащий активный компонент – Ni (никель) – не в виде наночастиц, как в большинстве современных катализаторов, а в виде изолированных атомов (single atom), – поясняет один из авторов статьи, заведующий научно-исследовательской лабораторией пористых материалов и сорбции химического факультета ТГУ Григорий Мамонтов. – Наноструктурированные материалы хорошо себя зарекомендовали, но одноатомные катализаторы – это переход на качественно новый уровень. Выгодным отличием таких материалов является то, что для их создания нужно очень мало активного компонента. В катализаторах в качестве активного вещества во многих случаях используются дорогостоящие благородные металлы, например, палладий, платина, золото, поэтому одноатомный катализатор с экономической точки зрения гораздо более выгодный.

Вместе с тем, КПД такого материала может быть существенно выше. Когда размер активного компонента катализатора уменьшается до атомарного масштаба, одноатомный катализатор металла проявляет уникальную каталитическую активность и стабильность: «работает» каждый атом. В то время как при использовании наночастиц работают только атомы, которые находятся на поверхности наночастиц.

Другая отличительная деталь нового материала в том, что в основе его синтеза лежит использование металлорганического полимерного каркаса (MOF), особая матрица которого и обеспечивает стабилизацию активного компонента в одноатомном состоянии.

– Наши китайские коллеги из Сямэньского университета очень преуспели в области создания моноатомных катализаторов для различных процессов, важных для экологии и энергетики, – говорит Григорий Мамонтов. – В данном случае катализатор работает как электрокатализатор, то есть при пропускании через него тока запускается химическая реакция: происходит превращение углекислого газа (CO2) в синтез-газ (смесь CO и H2). Таким образом, из такого отхода, как углекислый газ, можно получать ценный элемент для экологически чистой энергетики – синтез-газ, который затем перерабатывается в топливо и ценные химические соединения.

Новый материал был протестирован в лабораторных условиях и показал свою эффективность. Предполагается, что в перспективе установки с катализатором нового класса будут устанавливаться на крупных предприятиях, которые в ходе производства выделяют большие объемы углекислого газа.

Добавим, что исследование цикла углерода и создание новых подходов для снижения его уровня в атмосфере является одним из ключевых исследовательских направлений, которые Томский госуниверситет развивает в рамках стратпроекта «Глобальные изменения Земли: климат, экология, качество жизни». Проект нацеленный на изучение трансформации климата и окружающей среды, создание способов снижения негативных последствий изменений и способов адаптации человечества к новым условиям, реализуется при поддержке федеральной программы «Приоритет 2030».