Nature Chemistry: Новый катализатор производит метан с помощью электричества

Новый катализатор, с помощью которого можно получать метан из углекислого газа и воды при помощи электричества, создали исследователи из Боннского и Монреальского университетов.

Метан используют для обогрева квартир и в химической промышленности. Он является основным компонентом природного газа. Если его получают экологически чистым способом, то он не влияет на климат.

Результаты исследования модельной системы могут быть применены к крупномасштабным техническим катализаторам. Эта система также может использоваться для производства других химических соединений.

Исследование опубликовано в журнале Nature Chemistry.

Для многих химических реакций нужна энергия. Её можно получить, нагревая или подвергая высокому давлению участников реакции.

Профессор Николай Корниенко рассказал, что они использовали электричество в качестве источника энергии.

Применяя экологически чистое электричество, мы можем производить метан, который не способствует глобальному потеплению, — пояснил он.

Корниенко недавно перешёл из Монреальского университета в Институт неорганической химии Боннского университета. Он начал своё последнее исследование в Канаде и закончил его уже на новом месте работы.

Производить метан (CH₄) сложно, потому что нужно провести реакцию между газом и жидкостью, — говорит профессор.

Учёные соединили углекислый газ и воду с помощью газового диффузионного электрода. В ходе реакции атом углерода в углекислом газе заменили на четыре атома водорода, полученных из воды.

Предотвращение побочных реакций

Вода может вступить в другую реакцию и распасться на водород и кислород при подаче электрического тока. Это помешает производству метана, поэтому нужно предотвратить контакт воды с электродом. Но вода нужна нам как участник реакции, — подчеркивает ассистент Корниенко Морган Макки, выполнивший большую часть экспериментов.

Недавно разработанный катализатор наносится на электрод и помогает углекислому газу быстрее превращаться в метан. Это происходит благодаря активному центру, который удерживает углекислый газ и ослабляет связи между атомом углерода и двумя атомами кислорода.

Затем эти атомы кислорода постепенно заменяются четырьмя атомами водорода. На этом этапе катализатору нужна вода, но он должен держать её на расстоянии, чтобы избежать побочных реакций. Для этого к активному центру привязали длинные боковые молекулярные цепи. Они отталкивают воду — их химическая структура гидрофобна.

Гидрофобные молекулярные цепи

Этот термин произошёл из греческого языка и означает «боящийся воды». Боковые цепи не только удерживают молекулы воды вдали от активного центра и электрода, но и работают как конвейер. Они переносят атомы водорода из молекул воды в активный центр, где те реагируют с атомом углерода. В результате нескольких этапов CO₂ преобразуется в CH₄.

Эффективность этого процесса — более 80 процентов, побочные продукты почти не образуются. Но этот катализатор не подходит для масштабного производства метана.

Корниенко считает, что принципы реакции можно использовать в других катализаторах для технических приложений. По мнению исследователя, новый метод может оказаться более прибыльным при производстве других химических соединений, например, этилена, который используют как сырьё для многих пластмасс. Это позволит сделать производство пластмасс более экологичным.

04.10.2024