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 CO2 в полезное топливо на основе углерода.
Различные полимеры могут захватывать молекулы CO2, а Sn-катализаторы, как известно, восстанавливают CO2 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 CO2 от окружающей среды и перерабатывать 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 точно настроить конструкцию катализатора."
Скорость производства формиата Sn с покрытием из ПЭГ была в 24 раза выше, чем у обычного пластинчатого электрода из Sn, и никаких побочных продуктов обнаружено не было (выход формиата> 99%).
Чтобы понять эту усиленную реакцию восстановления CO2, исследователи изготовили Sn-катализатор, покрытый другим улавливающим CO2 полимером (полиэтиленимин; PEI), структура которого по-разному взаимодействует с поступающим CO2. Sn с покрытием из ПЭГ по-прежнему превосходил Sn с покрытием из ПЭИ, и, учитывая химические характеристики этих полимеров, авторы предположили, что ПЭИ слишком плотно удерживает молекулы CO2, тогда как ПЭГ обеспечивает ключевой баланс в захвате и последующем выделении CO2 в каталитический Sn. основной.
«Моделирование этой реакции с использованием теоретических расчетов подтвердило благоприятность переноса СО2 в центр Sn с помощью ПЭГ и объяснило ускоренное производство формиата», – объясняет аспирант Сэмюэл Чон. «Однако мы хотели дополнительно прояснить взаимодействие ПЭГ-СО2."
Более подробные расчеты показали, что, хотя отсутствие полимера ограничивает способность Sn-катализатора улавливать CO2, чрезмерно плотный слой PEG препятствует переносу CO2 на поверхность металла, тем самым уменьшая образование формиата. Таким образом, полный, но относительно разреженный слой ПЭГ является оптимальным для отвода СО2 в олово, поддерживая при этом среду, богатую СО2, и предотвращая выброс 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 CO2 в полезные соединения, такие как формиат, которые могут приводить в действие устройства топливных элементов, обеспечивающие экологически чистую электроэнергию.