Ученые долго искали способы превратить изобилие CO2 в полезные продукты, такие как химикаты и топливо. Уже в 1869 году им удалось электрокаталитически превратить CO2 в муравьиную кислоту. За последние два десятилетия рост CO2 в атмосфере Земли значительно ускорил исследования в области преобразования CO2 с использованием возобновляемых источников энергии, включая солнечную, ветра и приливов. Поскольку эти ресурсы непостоянны (солнце светит не каждый день, а ветер дует не постоянно), то, как безопасно и экономически эффективно хранить возобновляемую энергию, является серьезной проблемой.
Недавние исследования в области электрокаталитической конверсии CO2 указывают путь к использованию CO2 в качестве сырья и возобновляемой электроэнергии в качестве источника энергии для синтез различных видов топлива и химических веществ с добавленной стоимостью, таких как этилен, этанол и пропан. Но ученые до сих пор не понимают даже первую стадию этих реакций - активацию CO2, или превращение линейной молекулы CO2 на катализаторе. поверхности после принятия первого электрона. Знание точной структуры активированного CO2 имеет важное значение, поскольку его структура определяет как конечный продукт реакции, так и ее энергетические затраты. Эта реакция может начинаться со многих начальных стадий и проходить по многим путям, обычно давая смесь продуктов. Если ученые поймут, как работает этот процесс, они смогут лучше избирательно продвигать или подавлять определенные пути, что приведет к разработке коммерчески жизнеспособного катализатора для этой технологии.
Исследователи
Columbia Engineering объявили сегодня, что они решили первую часть головоломки - они доказали, что электровосстановление CO2 начинается с одного общего промежуточного соединения, а не с двух, как считалось ранее. Они применили полный набор экспериментальных и теоретических методов для определения структуры первого промежуточного продукта электровосстановления CO2: карбоксилат CO2? который прикреплен к поверхности атомами C и O. Их прорыв, опубликованный сегодня в Интернете в PNAS, произошел благодаря применению поверхностно-усиленного комбинационного рассеяния (SERS) вместо более часто используемой поверхностно-усиленной инфракрасной спектроскопии (SEIRAS). Спектроскопические результаты были подтверждены квантово-химическим моделированием.
"Наши выводы об активации CO2 откроют двери для невероятно широкого диапазона возможностей: если мы сможем полностью понять CO2электровосстановление, мы сможем уменьшить нашу зависимость от ископаемого топлива, способствуя смягчению последствий изменения климата», - говорит ведущий автор статьи Ирина Чернышова, младший научный сотрудник отдела землеустройства и инженерии окружающей среды.«Кроме того, наше понимание активации CO2 на границе твердой и водной среды позволит исследователям лучше моделировать пребиотические сценарии от CO2 до сложных органические молекулы, которые могли привести к зарождению жизни на нашей планете."
Они решили использовать SERS, а не SEIRAS для своих наблюдений, потому что они обнаружили, что SERS имеет несколько существенных преимуществ, которые позволяют более точно идентифицировать структуру промежуточного продукта реакции. Самое главное, исследователи смогли измерить колебательные спектры частиц, образующихся на границе раздела электрод-электролит, во всем спектральном диапазоне и на работающем электроде (в процессе работы). Используя как квантово-химическое моделирование, так и традиционные электрохимические методы, исследователи смогли получить первый подробный взгляд на то, как CO2 активируется на границе раздела электрод-электролит..
Понимание природы промежуточного продукта первой реакции является важным шагом на пути к коммерциализации электрокаталитического преобразования CO2 в полезные химические вещества. Это создает прочную основу для перехода от парадигмы проб и ошибок к рациональной конструкции катализатора. «Благодаря этим знаниям и вычислительной мощности, - говорит соавтор статьи Сатиш Поннурангам, бывший аспирант и постдоктор в лаборатории Сомасундарана, а ныне доцент кафедры химической и нефтяной инженерии в Университете Калгари, Канада, - исследователи будут способны более точно предсказать реакцию на различных катализаторах и указать наиболее перспективные из них, которые в дальнейшем могут быть синтезированы и испытаны».
«Эксперименты Columbia Engineering настолько детализированы, что мы должны быть в состоянии получить очень точную проверку вычислительных моделей», - говорит Уильям Годдард, профессор химии, материаловедения и прикладной физики Чарльза и Мэри Феркель в Калифорнийском технологическом институте. кто не участвовал в исследовании. «Я ожидаю, что вместе с нашей теорией эксперименты Columbia Engineering предоставят точные механизмы, которые будут установлены, и что изучение того, как механизмы изменяются для различных сплавов, структур поверхности, электролитов, добавок, должно позволить оптимизировать электрокатализаторы для распыления воды (солнечное топливо).), CO2 сокращение до топлива и органического сырья, сокращение N2 до NH3 для получения гораздо менее дорогих удобрений, все ключевые проблемы, стоящие перед обществом, чтобы получить энергию и продовольствие для удовлетворения нашего стремительно растущего населения.
Электрокатализ и фотокатализ (так называемый искусственный фотосинтез) являются одними из наиболее многообещающих способов эффективного хранения возобновляемой энергии. Электровосстановление CO2 уже более 150 лет захватывает воображение исследователей из-за его сходства с фотосинтезом. Подобно тому, как растение преобразует солнечный свет в химическую энергию, катализатор преобразует электроны, поставляемые возобновляемой энергией, в химическую энергию, которая запасается в восстановленных продуктах CO2 В дополнение к своему применению для возобновляемых источников энергии, электрокатализ Технология может также позволить пилотируемые миссии на Марс и колонии, обеспечивая топливо для обратного полета и углеродсодержащие химические вещества из CO2, который составляет 95 процентов атмосферы этой планеты.
«Мы ожидаем, что наши результаты и методология будут стимулировать работу над тем, как ускорить работу и снизить затраты энергии не только на электрокаталитическое, но и на фотокаталитическое сокращение выбросов CO2», - говорит Пониссерил. Сомасундаран, ЛаВон Даддлсон Крамб, профессор горного дела, факультет инженерии Земли и окружающей среды.«В последнем случае катализатор восстанавливает CO2 с помощью прямого солнечного света. Несмотря на то, что эти два экспериментальных подхода различны, они микроскопически похожи - оба начинаются с активации CO. 2 при переносе электрона с поверхности катализатора. На данный момент я считаю, что оба эти подхода будут доминировать в будущем.
В настоящее время команда работает над тем, чтобы раскрыть последующие этапы реакции, чтобы увидеть, как CO2 дальше трансформируется, и разработать превосходные катализаторы на основе широко распространенных в земле элементов, таких как Cu. (медь) и Sn (олово).