Полимерное покрытие ускоряет производство топлива

Хорошо известно, что накопление парниковых газов, таких как углекислый газ (CO ₂ ), в атмосфере способствует изменению климата. Следовательно, улавливание и рециркуляция CO ₂ имеют жизненно важное значение для смягчения пагубного воздействия на окружающую среду и преодоления климатического кризиса. Недавно исследователи из Японии разработали металлический катализатор с полимерным покрытием, который ускоряет конверсию CO ₂ и предлагает идеи для экологически чистой энергии.

В исследовании, опубликованном в ACS Catalysis, исследователи из Университета Цукубы описывают пористые оловянные (Sn) катализаторы, покрытые полиэтиленгликолем (PEG), и показывают, как этот полимер способствует превращению CO ₂ в полезное топливо на основе углерода.

Различные полимеры могут захватывать молекулы CO ₂, и известно, что Sn-катализаторы восстанавливают CO ₂ до других молекул, таких как формиат (HCOO ^— ), который можно повторно использовать для питания топливных элементов.

«Мы были заинтересованы в объединении этих возможностей в единую каталитическую систему, которая могла бы очищать окружающую среду от CO ₂ и рециркулировать его в формиат», — говорит руководитель исследовательской группы профессор Йошиказу Ито. «Однако трудно получить только желаемый продукт, формиат, с высокой производительностью и высоким выходом, поэтому нам пришлось отрегулировать конструкцию катализатора».

Скорость образования формиата Sn, покрытого PEG, была в 24 раза выше, чем у обычного пластинчатого электрода Sn, и никаких побочных продуктов обнаружено не было (выход формиата> 99%). Чтобы понять эту усиленную реакцию восстановления CO ₂ , исследователи изготовили Sn-катализатор, покрытый другим улавливающим CO ₂ полимером (полиэтиленимин; PEI), структура которого по-разному взаимодействует с поступающим CO ₂ . Sn, покрытый PEG, по-прежнему превосходит Sn, покрытый PEI, и, учитывая химические характеристики этих полимеров, авторы предположили, что PEI слишком плотно удерживает молекулы CO ₂ , тогда как PEG обеспечивает ключевой баланс в захвате, а затем высвобождении CO ₂ в каталитическое ядро ​​Sn.

«Моделирование этой реакции с использованием теоретических расчетов подтвердило преимущество PEG, доставляющего CO ₂ в Sn-центр, и объяснило ускоренное производство формиата», — объясняет аспирант Сэмюэл Джеонг. «Однако мы хотели дополнительно прояснить взаимодействие PEG-CO ₂ ».

Более подробные расчеты показали, что, хотя отсутствие полимера ограничивает способность Sn-катализатора улавливать CO ₂ , чрезмерно плотный слой PEG ингибирует перенос CO ₂ на поверхность металла, тем самым снижая образование формиата. Следовательно, полный, но относительно разреженный слой PEG является оптимальным для отвода CO ₂ в Sn, поддерживая при этом среду, обогащенную CO _2, и предотвращая высвобождение побочных продуктов.

Мантра «уменьшить, повторно использовать, переработать» больше не относится только к одноразовым пластмассам. Простая технология нанесения покрытия на катализатор, о которой сообщили Ито и его сотрудники, может быть использована для разработки систем, которые эффективно рециркулируют CO ₂ в полезные соединения, такие как формиат, которые могут приводить в действие устройства топливных элементов, обеспечивающие экологически чистую электроэнергию.