Технологии удаления углерода из атмосферы продолжают совершенствоваться, но найти решения о том, что с ним делать после его улавливания, становится все труднее.

Лаборатория ученого-материаловеда из Университета Райса Пуликеля Аджаяна и его сотрудников разработали способ извлечения углерода из диоксида углерода и присоединения его к атомам водорода, образуя метан – ценное топливо и промышленное сырье.

Согласно исследованию, опубликованному в Advanced Materials, метод основан на электролизе и катализаторах, разработанных путем прививки изолированных атомов меди к двумерным полимерным шаблонам.

«Преобразование углекислого газа с помощью электричества может производить большое количество промышленного топлива и исходного сырья различными путями», — сказал Сумябрата Рой, научный сотрудник лаборатории Аджаяна и ведущий автор исследования.

Однако конверсия диоксида углерода в метан включает в себя восьмиступенчатый процесс, который создает значительные проблемы для селективного и энергоэффективного производства метана.

Преодоление таких проблем может помочь замкнуть искусственный углеродный цикл в значимых масштабах, и разработка эффективных и доступных катализаторов является ключевым шагом к достижению этой цели.

Полимерные матрицы, которые были изготовлены из чередующихся атомов углерода и азота, имеют крошечные поры, в которые могут входить атомы меди на различном расстоянии друг от друга.

Катализаторы собираются при комнатной температуре в воде, при этом атомы меди вытесняют ионы основного металла в полимерных шаблонах. При испытании в реакторе катализаторы позволили восстановить диоксид углерода до метана в одной половине ячейки, в то время как кислород был получен из воды в другой половине.

«Мы обнаружили, что изменение расстояний между атомами меди снижает энергию, необходимую для ключевых стадий реакции, тем самым ускоряя химическое превращение», — сказал Рой.

«Это совместное действие близлежащих атомов меди помогло производить метан с очень высокой селективностью и эффективностью».

Катализаторы, разработанные Роем и его сотрудниками, позволили получить одно из самых быстрых и эффективных превращений диоксида углерода в метан на основе электролиза, известных на сегодняшний день, помогая продвинуть процесс преобразования как с точки зрения фундаментальных научных знаний, так и с точки зрения уровня производительности.

«Если удастся повысить эффективность использования энергии и преобразования углерода на системном уровне, недорогие и эффективные материалы, подобные этим, помогут внедрить технологию электрохимического восстановления диоксида углерода в промышленность», — сказал Цзинцзе Ву, адъюнкт-профессор химической инженерии и экологии в Университете Цинциннати.

Аджаян, профессор инженерного дела Райс Бенджамин М. и Мэри Гринвуд Андерсон, заведующие кафедрой материаловедения и наноинженерии, добавили, что «проектирование и разработка новых катализаторов занимают центральное место в решении проблем энергетики и устойчивого развития, с которыми мы сталкиваемся».

«Катализаторы с одноатомной дисперсией представляют собой захватывающий подход в этой области», — сказал Аджаян.