Превращение CO₂ в метан с помощью электрохимии — перспективный способ борьбы с выбросами и получения ценного топлива. Но проблема в том, что большинство катализаторов либо недостаточно эффективны, либо быстро теряют активность.

Группа ученых создала новый катализатор на основе оксида меди и магния (CuO/MgO), который не только показывает рекордные показатели, но и стабильно работает десятки часов.

Секрет в особом способе синтеза — нанесении наночастиц CuO на пластинки MgO с последующим отжигом. Это обеспечивает равномерное распределение меди и сильное взаимодействие между частицами и основой.

В результате катализатор, особенно версия CuO/MgO-2 с 1,25% меди, демонстрирует фарадеевскую эффективность (долю тока, идущего на образование метана) 82,3% и плотность тока 568 мА/см² при напряжении -1 В. В промышленном реакторе (MEA) он сохраняет эффективность около 70% даже после 65 часов работы.

Фарадеевская эффективность (FE) — это процент электрического заряда, который пошел на нужную реакцию (например, превращение CO₂ в метан), а не на побочные процессы (разложение воды). Если FE = 80%, значит, 80% энергии потратилось целесообразно.

Почему это так важно

• Обычно медь в катализаторах быстро восстанавливается до металла, что снижает активность. Здесь же Cu²⁺ остается стабильным благодаря взаимодействию с MgO.
• Теоретические расчеты показали, что такая структура оптимально удерживает промежуточные продукты реакции, направляя процесс именно в сторону метана, а не более сложных соединений.

Как это проверили

Ученые использовали электронную микроскопию, рентгеновскую спектроскопию и квантово-химическое моделирование. Особенно интересны эксперименты in situ — когда структуру катализатора изучали прямо во время реакции. Оказалось, что связь CuO-MgO не разрушается даже в жестких условиях.

Этот подход открывает путь к созданию долговечных катализаторов для переработки CO₂. Если масштабировать технологию, можно будет одновременно сокращать выбросы и получать топливо.

Результаты опубликованы в издании Science China Chemistry.

Главное преимущество — стабильность. Большинство катализаторов CO₂RR деградируют за часы, а здесь — 65 часов работы без резкого падения эффективности. Для промышленности это критично: чем реже нужно заменять катализатор, тем дешевле процесс.

Также важно, что селективность смещена в сторону метана, а не смеси продуктов. CH₄ проще хранить и использовать, чем, например, этилен или этанол. Его можно сразу закачивать в газовые сети или применять в топливных элементах.

Но ключевое — энергоэффективность. Если удастся снизить напряжение (сейчас -1 В), процесс станет коммерчески выгодным. Пока же конкуренция с традиционным метаном из ископаемого сырья жесткая.

Однако исследование не отвечает на вопрос о стоимости катализатора. MgO — дешев, но диспергирование меди требует сложного синтеза. Если для производства 1 грамма катализатора нужны вакуумные печи и многоступенчатый контроль, масштабирование будет дорогим.

Также неясно, как поведет себя катализатор в реальных условиях — при примесях SO₂ или NOₓ в промышленных выбросах. В статье тестировали только чистый CO₂.

Ранее мы разбирались, чем будут заправлять корабли и самолеты будущего.