Атомы железа на пористом углероде превращают CO₂ в CO с рекордной скоростью
Углекислый газ — не просто враг климата, а потенциальное сырье, если найти правильный катализатор; новое исследование показывает, что ключ к успеху — в дырах.
Железосодержащие катализаторы с отдельными атомами железа — перспективные кандидаты для превращения CO₂ в полезные вещества. Они стабильны, работают при низком напряжении, но есть проблема: атомы железа в структуре Fe-Nx слишком крепко удерживают молекулы CO, из-за чего катализатор быстро теряет активность. Ученые ищут способы это исправить.
Например, группа исследователей под руководством Руи У из Китая создала структуру Fe-N5, которая облегчает отрыв CO и подавляет ненужное выделение водорода. Их работу опубликовали в журнале Small. Другая команда — Чуань Чжао из Австралии — улучшила углеродную основу катализатора с помощью полистирольных микросфер, ускорив перенос газа. Результаты вышли в Advanced Energy Materials.
Но у большинства таких катализаторов есть недостаток: активные центры спрятаны внутри объемной структуры, а газ плохо проходит сквозь нее. Чтобы разобраться, как форма углеродной основы влияет на эффективность, ученые закрепили атомы железа на трех типах носителей:
- пористый углерод с разными размерами пор (Fe-HP),
- углеродные нанолисты (Fe-NS),
- углеродные нанотрубки (Fe-NT).
Лучше всего показал себя пористый углерод (Fe-HP). При скромном содержании железа (0,35%) он превращал CO₂ в CO с эффективностью 80% при -0,5 В — в 2,5 раза лучше, чем нанолисты, и в 12 раз лучше, чем нанотрубки.
При -0,8 В ток достигал -9,1 мА/см², а скорость превращения (TOF) — 1372 реакций в час.
Почему так? Пористая структура:
- обнажает больше активных центров,
- снижает степень окисления железа, облегчая активацию CO₂,
- ускоряет отрыв CO, предотвращая «закупорку» катализатора.
Это исследование доказывает: форма носителя — не второстепенная деталь, а мощный инструмент для улучшения катализаторов.
Результаты опубликованы в издании Nano Research.
Работа дает практический рецепт: если нужно повысить эффективность железосодержащих катализаторов для переработки CO₂, стоит экспериментировать с иерархически пористыми структурами. Это упростит создание систем для утилизации углекислого газа — например, на производствах или в энергетике. Кроме того, подход можно адаптировать для других металлов.
Хотя пористый углерод показал отличные результаты, в статье не обсуждается его долговечность при промышленных нагрузках. Например, как поведет себя структура после тысячи циклов или в присутствии примесей?
Ранее ученые сообщили, что катализаторами для восстановления CO₂ могут стать сульфиды металлов.
