Медь превращает CO2 в ценное топливо
Проблема роста концентрации CO₂ в атмосфере — одна из главных в наши дни: индустриализация, вырубка лесов и использование ископаемого топлива увеличивают его выбросы, и полностью избежать этого пока невозможно. Поэтому помимо сокращения выбросов ученые ищут пути, как превращать газ, который все равно так или иначе образуется, в полезные вещества. В этом отношении давно привлекают внимание ученых медные катализаторы, так как именно они позволяют из углекислого газа синтезировать углеводороды и спирты. Однако до сих пор было неясно, как управлять процессом так, чтобы получать больше нужного продукта и меньше побочных.
Команда под руководством Томаса Шмидта и Беатрис Рольдан Куэньи из Института Фрица Габера (Берлин) применила новый метод — обработку медных поверхностей чередующимися электрическими импульсами. При «положительном» импульсе поверхность меди частично растворяется, образуя крошечные пирамидальные структуры и тонкую (~1 нанометр) пленку оксида меди Cu (I). Следующий, «отрицательный» импульс восстанавливает только верхний слой этой пленки, формируя своеобразный «сэндвич»: сверху — тонкий слой металлической меди, под ним — слой Cu (I), а ниже находится исходная поверхность меди.
Такие перестройки оказываются ключевыми для повышения эффективности катализа. Ученые показали, что сочетание металлической меди и оксида меди особенно благоприятно для образования этанола, а пирамидальные структуры на металлической поверхности усиливают выход этилена. Иными словами, с помощью электрических импульсов можно буквально «настраивать» катализатор, управляя тем, какие продукты будут образовываться в ходе реакции.
Для наблюдения этих процессов использовались передовые методы спектро-микроскопии, позволяющие заглянуть вглубь материала на нанометровом уровне и проследить за изменениями почти в реальном времени. Благодаря этому стало ясно, что ключевую роль играет не только сама медь, но и динамика ее преобразований под действием электрических импульсов.
Полученные результаты не ограничиваются фундаментальной наукой. Более эффективное превращение CO₂ в этанол и этилен открывает перспективы для производства возобновляемых видов топлива и сырья для химической промышленности, при этом уменьшая количество парникового газа в атмосфере.
