Хіміки розробили нову структуру каталітичного осередку, яка дозволяє з високою ефективністю перетворювати вуглекислий газ на етилен. Суміщення в комірці каталізатора з наночастинок міді, обложених на тефлонову мембрану, з лужним електролітом, дозволяє збільшити вихід по струму до 70 відсотків і при цьому збільшити час роботи комірки до 150 годин, пишуть вчені в.
Один із способів зменшити вміст вуглекислого газу в атмосфері - його хімічна переробка, в результаті якої утворюються прості органічні речовини, що використовуються потім в якості палива або сировини, наприклад, для отримання полімерних матеріалів. Вимоги до агрегатного стану і хімічних властивостей отриманого продукту сильно залежать від способів його подальшого використання, тому хіміки розробляють технології перетворення вуглекислого газу в різні сполуки, як правило з числа найпростіших вуглеводнів або спиртів. Один з найбільш популярних продуктів відновлення - це етилен, який потім можна використовувати для отримання пластику. Такий процес дозволяє одночасно і зменшувати концентрацію вуглекислого газу в повітрі, і запобігати утворенню нового вуглекислого газу, неминуче при отриманні етилену з копалин ресурсів.
Як правило, для перетворення вуглекислого газу в етилен використовуються каталізатори на основі міді, за допомогою яких зараз можна звести до мінімуму концентрацію побічних продуктів в отриманій суміші. Однак у більшості сучасних каталізаторів для відновлення вуглекислого газу до етилену є три основні проблеми: низька ефективність, низька швидкість отримання продукту і невеликий час роботи каталізатора. Якщо навіть вдається впоратися з однією з цих проблем, то дві інші, як правило, залишаються невирішеними. Однак хімікам з Канади та Китаю під керівництвом Едварда Сарджента (Edward H. Sargent) з Університету Торонто вдалося знайти таку структуру каталітичного осередку, яка дозволяє одночасно вирішити всі три цих проблеми. Запропонована авторами комірка, в якій відбувається процес утворення етилену з вуглекислого газу, працює за рахунок електрохімічної реакції відновлення з потенціалом - 0,5 вольта щодо зворотного водневого електрода.
Вчені використовували гідрофобну тефлонову плівку, яка працює як газодиффузійний шар, на який послідовно нанесли шари мідних наночастинок, вуглецевих наночастинок і графіту. Як електроліт в комірці використовувався гідроксид калію (концентрацією від 1 до 10 моль на літр), який збільшував стійкість каталізатора і перешкоджав утворенню монооксиду вуглецю. Ефективність роботи каталітичного осередку вчені оцінювали, вимірюючи вихід за струмом (за етиленом, що утворився), який склав 70 відсотків. Це приблизно на 10 відсотків більше, ніж у подібних осередків з іншими типами каталізаторів і електролітів. Крім етилену, вуглекислий газ у такому осередку також відновлюється до ацетат-іонів та етанолу, однак вміст кожного з них не перевищує 10 відсотків.
Крім ефективності роботи запропонованого осередку хіміки також перевірили стійкість її роботи з точки зору хімічної та фізичної деградації використовуваних матеріалів. Виявилося, що, на відміну від інших подібних систем, тривалість роботи запропонованого каталізатора досягає 150 годин, протягом яких його ефективність не падає. Для порівняння, ефективність мідного каталізатора, нанесеного на поверхню вуглецевого газодіффузійного електрода за півгодини роботи знижується з 60 відсотків більш ніж удвічі.
Вчені зазначають, що при зміні концентрації лужа в електроліті можна змінювати умови роботи: потенціал реакції та ефективність осередку. Крім того, за словами хіміків, у такій системі досить легко замінити склад каталізатора, щоб проводити й інші хімічні реакції, при цьому зберігаючи гнучкість методу, стійкість осередку до хімічного та фізичного старіння і високий вихід по струму.
Етилен - далеко не єдина речовина, яку вчені пропонують отримувати, відновлюючи вуглекислий газ за допомогою каталізаторів. Наприклад, нещодавно хіміки запропонували використовувати схожий каталізатор на основі мідних наночастинок, нанесених на вуглецевий електрод, для електровисстановлення вуглекислого газу до етилового спирту. Інша група вчених отримала фотокаталізатор на основі оксидів міді і цинку, за допомогою якого можна перетворювати вуглекислий газ на метан без побічних продуктів. Детальніше про актуальні проблеми сучасної хімії каталізаторів, в тому числі необхідних для відновлення вуглекислого газу, ви можете прочитати в інтерв'ю з британським хіміком Гремом Хатчінгсом.