Ученые ТПУ совместно с коллегами из Чжэцзянского университета (Китай) синтезировали эффективный катализатор на основе углеродного аэрогеля для промышленности. Он позволит сократить выбросы оксида углерода, который образуется при многих индустриальных процессах, и перерабатывать его в полезный продукт. Катализатор будет эффективнее и дешевле в производстве по сравнению с существующими аналогами.
Аэрогель из углерода поможет снизить парниковый эффект / ©Getty images
Результаты исследования специалистов научной группой TERS-Team ТПУ и их китайских коллег опубликованы в журнале Nano Energy. Диоксид углерода (CO₂) — побочный продукт многих индустриальных процессов, который является загрязнителем. Повышение его концентрации в атмосфере – основная причина парникового эффекта. Решить эту проблему может переработка углекислого газа с получением на выходе полезного продукта.
Один из вариантов — использование CO₂ для производства топлива, в частности, энергометана. Обычно для такой цели используются специальные катализаторы на основе благородных металлов и их сплавов. Одни из них являются дорогостоящими, другие подвержены коррозии, из-за чего быстро теряют свои свойства. Поэтому перед мировым научным сообществом стоит задача разработать новые безметаллические катализаторы, которые будут эффективными, стабильными и будут созданы с использованием доступных материалов.
Исследователи Томского политеха и их партнеры из Китая разработали катализатор на основе углеродного аэрогеля. Аэрогель представляет собой материал, который изготавливается из прекурсора углерода и отличается малым весом. Принципиальная особенность аэрогеля — высокая пористость. Она обеспечивает доступ газа к активным центрам катализатора, что необходимо для их эффективного взаимодействия.
«Катализатор является пористым каркасом из аэрогеля, в котором формируются активные центры, где будет проходить реакция. Обычно для таких реакций используется углерод, допированный азотом. Но у данных катализаторов есть недостаток — они неселективны, то есть, помимо восстановления диоксида углерода, запускают другие химические реакции, которые приводят к появлению ненужных побочных продуктов и уменьшают эффективность процесса. Мы использовали в аэрогеле комбинацию азота и фосфора, позволившую ему эффективно запускать именно ту реакцию, которая нам необходима», — рассказывает профессор Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий ТПУ Рауль Родригес.
На производстве процесс взаимодействия газа и катализатора выглядит следующим образом. Газ проходит через специальную ячейку, заполненную аэрогелем. Аэрогель служит электродом, и при подаче тока запускается реакция, которая проходит непосредственно на поверхности катализатора. В результате образуется функциональная группа карбоновых кислот (*COOH). Этот продукт переработки может использоваться в большом количестве полезных химических реакций.
В ходе лабораторных экспериментов ученые доказали, что катализатор остается стабильным при силах тока, типичных для промышленных электролитических систем.
В планах исследователей — разработка аналогичных катализаторов, которые можно использовать для реакции восстановления азота и кислорода. «В атмосфере содержится большое количество азота. Он находится в стабильной форме и практически не вступает в реакции. Если нам удастся разорвать связь, мы получим более активную форму этого газа, способную участвовать в различных химических реакциях. В перспективе такие соединения азота можно будет использовать, например, для производства удобрений», — комментирует Рауль Родригес.
