Учените решиха десетилетен проблем с CO₂ и утроиха производството на гориво

Превръщането на въглероден диоксид (CO₂) в метанол се счита за перспективен метод за преработка на въглеродни ресурси. Въпреки това, дълго време учените се сблъскваха със сериозен проблем при опитите си да подобрят този процес. При ниски температури превръщането на CO₂ в метанол е термодинамично изгодно. Проблемът е, че при тези условия CO₂ става труден за активиране, което води до слаба каталитична активност. Повишаването на температурата ускорява реакцията, но също така стимулира конкурентен процес, известен като реакция на обратен водороден газ, който произвежда нежелани странични продукти и намалява селективността по отношение на метанола. Този постоянен компромис между каталитичната активност и селективността дълго време ограничаваше напредъка в увеличаването на добива на метанол.

Новият дизайн на катализатора преодолява дългогодишния компромис

В проучване, публикувано в списанието Chem, изследователи под ръководството на професор Дзян Сун и професор Дзяфен Ю от Далианския институт по химична физика (DICP) към Китайската академия на науките (CAS) разработиха нов дизайн на катализатора, насочен към решаване на този проблем. Техният подход използва структура на повърхностния слой, управлявана от силно взаимодействие между метала и носителя (SMSI) за пространствено разделяне на активните центрове вътре в катализатора. Тази конструкция позволява различните етапи на реакцията да протичат на различни места, повишавайки ефективността на производството на метанол от CO₂.

Чрез преструктуриране на повърхността на катализатора и промяна на начина, по който реагентите се адсорбират, дисоциират и се придвижват по реакционния път, екипът постигна пространствено-времеви добив от 1,2 g·gcat-1·h-1 при 300 °C и 3 MPa. Тази производителност е приблизително три пъти по-висока от тази на традиционните търговски Cu/Zn/Al катализатори.

Пренасочване на CO₂ към метанола

Изследователите откриха, че техният катализатор спомага за адсорбцията и активацията на CO₂ предимно върху центровете на циркониевия диоксид (ZrO2). Това насочва реакцията към производството на метанол по формиатния път. В традиционните катализатори на медна основа активацията обикновено започва с разкъсване на връзката C=O, преди да се осъществи хидриране. Новата стратегия следва друга последователност. Хидрирането първо се осъществява в центровете на ZrO2, а разкъсването на връзката C=O става по-късно.

Според изследователите тази промяна в механизма на реакцията значително намалява образуването на страничния продукт – въглероден оксид (CO₂), като същевременно запазва силната способност на Cu центровете ефективно да дисоциират H2.

„Нашето изследване може да предложи нов път за разрешаване на дългогодишния компромис между активността и селективността при синтеза на метанол от CO₂.“

заяви професор Сун