Ученые из Индийского технологического института в Рурки, Университета Дхармсинх Десаи и Национального технологического института имени Мауланы Азада создали новый катализатор на основе графена, который позволяет преобразовывать углекислый газ в ценные химические продукты. Это открытие приближает к созданию технологий, способных одновременно снижать содержание CO₂ в атмосфере и обеспечивать производство востребованных углеводородов – от топлива до сырья для пластмасс.
Электрохимическое восстановление углекислого газа уже давно рассматривается как один из наиболее перспективных способов его утилизации. Этот процесс выгоден тем, что протекает при обычной температуре и давлении, а источником энергии может служить электричество от солнечных или ветровых электростанций. В результате удается получать топливо или химическое сырье, тем самым замыкая углеродный цикл.
У большинства известных катализаторов есть ограничение: они образуют простейшие продукты, такие как угарный газ, муравьиная кислота или метан. А вот намного более востребованные в промышленности многокарбоновые соединения, такие как этилен или этанол, синтезировать гораздо сложнее, поскольку для этого нужно не только разрушить связи в молекуле CO₂, но и соединить два атома углерода в одну молекулу, преодолев высокий энергетический барьер.
Чтобы справиться с этой задачей, ученые предложили необычное решение – встроить отдельные атомы меди в азотсодержащую графеновую матрицу. В таком материале каждый атом меди работает как активный центр и используется с максимальной отдачей. Для синтеза катализатора исследователи нанесли ионы меди на поверхность графеноксида, после чего подвергли полученный материал термической обработке в присутствии азотсодержащего соединения. В результате атомы меди прочно закрепились в структуре графена и стабилизировались в форме, наиболее подходящей для протекания реакции.
Используя современные методы анализа, такие как электронная микроскопия и рентгеновская спектроскопия, ученые подтвердили, что атомы меди равномерно распределены по поверхности материала и находятся в форме, наиболее благоприятной для катализа. Особенно важными оказались центры, где медь связана с двумя атомами азота – именно такие узлы обеспечили высокую активность и избирательность процесса.
Электрохимические испытания продемонстрировали впечатляющие результаты. При напряжении всего -0,8 В эффективность преобразования CO₂ достигала 91%, из которых 59% составлял этилен – ключевое сырье для современной химической промышленности. В то время как большинство катализаторов ограничиваются образованием простых соединений, новый материал смог эффективно направлять реакцию к более сложному формированию связей углерод-углерод, что придает ему особую практическую ценность.
Компьютерное моделирование с использованием теории функционала плотности подтвердило полученные результаты.
Также катализатор показал высокую устойчивость: даже после 20 часов непрерывной работы его активность оставалась неизменной.
Таким образом разработка индийских ученых открывает широкие перспективы для энергетики и химической промышленности, превращая углекислый газ из климатической угрозы в ценнейший ресурс.
