Исследовательские группы по всему миру разрабатывают технологии по преобразованию углекислого газа (CO2 ) в сырье для промышленного применения. Большинство экспериментов в промышленно важных условиях было проведено с гетерогенными электрокатализаторами, т. е. катализаторами, находящимися в другой химической фазе по сравнению с реагирующими веществами. Однако гомогенные катализаторы, находящиеся в той же фазе, что и реагенты, обычно считаются более эффективными и селективными. На сегодняшний день не существует установок, на которых можно было бы испытать гомогенные катализаторы в промышленных условиях.
Команда, возглавляемая Кевинджорхиосом Пеллумби и профессором Ульфом-Петером Апфелем из Рурского университета в Бохуме и Института Фраунгофера по технологиям окружающей среды, безопасности и энергетики UMSICHT в Оберхаузене, теперь закрыла этот пробел. Исследователи изложили свои выводы в журнале Cell Reports Physical Science . Статья опубликована 13 декабря 2023 года.
«Наша работа направлена на то, чтобы расширить границы технологий и найти эффективное решение по конверсии CO 2 , которое превратит наносящий вред климату газ в полезный ресурс», — говорит Ульф-Петер Апфель. Его группа сотрудничала с командой под руководством профессора Вольфганга Шёфбергера из Университета Иоганна Кеплера в Линце и исследователей из Института Фрица Габера в Берлине.
Эффективность и длительная стабильность
Команда исследовала преобразование CO 2 с помощью электрокатализа. При этом источник напряжения подает электрическую энергию , которая подается в реакционную систему через электроды и запускает химические превращения на электродах. Катализатор облегчает реакцию; в гомогенном электрокатализе катализатором обычно является растворенный металлокомплекс. В так называемом газодиффузионном электроде исходный материал CO2 протекает мимо электрода, где катализаторы превращают его в окись углерода. Последний, в свою очередь, является распространенным исходным материалом в химической промышленности.
Исследователи интегрировали металлокомплексные катализаторы в поверхность электрода, не связывая их с ней химически. Они показали, что их система может эффективно преобразовывать CO 2 : она генерировала ток плотностью более 300 миллиампер на квадратный сантиметр. Более того, система оставалась стабильной более 100 часов, не проявляя никаких признаков разрушения.
Нет необходимости закреплять катализатор
Все это означает, что гомогенные катализаторы в целом можно использовать для электролизеров. «Однако для них требуется определенный состав электродов», — говорит Ульф-Петер Апфель. Точнее, электроды должны обеспечивать прямую конверсию газа без растворителей, чтобы катализатор не вымывался с поверхности электрода. Вопреки тому, что часто описывается в специальной литературе, нет необходимости в материале-носителе, который химически связывает катализатор с поверхностью электрода.
«Наши результаты открывают возможность тестирования и интеграции высокопроизводительных и легко изменяемых гомогенных электрокатализаторов в сценарии применения электрохимических процессов», — заключает Апфель.
