«Зеленый» прорыв в промышленной химии: углекислый газ научились превращать в ацетальдегид
Ацетальдегид — важнейшее химическое сырье, используемое при производстве всего, от парфюмерии до пластмасс. Сегодня его промышленный синтез в значительной степени зависит от этилена, продукта нефтехимии. Однако растущие экологические проблемы вынуждают химическую промышленность сокращать использование ископаемого топлива. Ученые ищут более экологичные способы производства.
В настоящее время ацетальдегид получают с помощью так называемого процесса Ваккера — метода химического синтеза, в котором используется взаимодействие этилена из нефти и природного газа с сильными минеральными кислотами, например, с соляной кислотой. Способ не только оставляет большой углеродный след, но и требует значительных энергетических ресурсов и мало привлекателен в долгосрочной перспективе.
Интересным решением этой проблемы является электрохимическое восстановление углекислого газа (CO2) с получением полезных продуктов. Поскольку CO2 является отходом, который способствует глобальному потеплению, этот метод решает сразу две экологические проблемы. Он сокращает выбросы углекислого газа в атмосферу и создает ценные в промышленном плане химические вещества.
Инновационный катализатор
Катализаторы на основе меди продемонстрировали потенциал для преобразования углекислоты CO2 в ацетальдегид CH3COH, но до сих пор у экспериментаторов возникали трудности ввиду низкой селективности процесса. В ходе каталитического восстановления углекислоты получалась смесь продуктов, а не желаемый результат
Ученые из государственно-частного консорциума EPFL, Копенгагенского и Шанхайского университетов разработали новый катализатор на основе меди, который может избирательно превращать CO2 в ацетальдегид с впечатляющим полезным выходом 92%. Открытие, опубликованное в Nature Synthesis, обеспечивает более экологичный и устойчивый способ получения ацетальдегида.
«Метод Ваккера практически не изменился за последние 60 лет. В его основе по-прежнему лежит тот же химический состав. Настало время для зеленого прорыва», — убежден Седрик Дэвид Кулен, соавтор исследования из консорциума EPFL.
Увлекательная химия
Исследователи начали с синтеза крошечных частиц меди размером около 1,6 нанометра каждая, используя метод, называемый искровой абляцией. Он заключается в испарении медных электродов в среде инертного газа и позволяет ученым точно контролировать габариты. Затем элементы были осаждены на углеродных подложках для создания стабильного многоразового катализатора.
В лаборатории команда проверила работоспособность катализатора, проведя его через серию электрохимических реакций с CO2 в контролируемой среде. Используя синхротрон — крупномасштабную установку, генерирующую очень яркий свет, — команда ученых убедилась, что медные частицы активно преобразуют CO2 в ацетальдегид с помощью метода, называемого рентгеновской абсорбционной спектроскопией.
Результаты были замечательными. Медные кластеры достигли 92% селективности по ацетальдегиду при относительно низком напряжении, что важно с точки зрения энергоэффективности процесса. В ходе 30-часового стресс-теста катализатор продемонстрировал высокую стабильность, сохранив свои рабочие характеристики на протяжении нескольких циклов. Исследователи также обнаружили, что частицы сохраняют свою металлическую природу на протяжении всей реакции, демонстрируя долговечность.
«Что нас действительно удивило, так это то, что медь оставалась в неизменном виде даже после снятия напряжения и воздействия воздуха», — говорит соавтор исследования Вэнь Луо. — «Медь обычно быстро окисляется, особенно частицы такого малого размера. Но в нашем случае вокруг кластера образовалась оксидная оболочка, защищающая ядро от дальнейшего окисления. Это объясняет пригодность материала для вторичной переработки».
Ключи к успеху
Почему новый катализатор так хорошо зарекомендовал себя? Компьютерное моделирование показало, что кластеры меди имеют особую конфигурацию атомов, которая способствует связыванию молекул CO2 и их трансформации с преимущественным образованием ацетальдегида, а не других возможных продуктов, таких как этанол или метан.
«Самое замечательное в нашем процессе заключается в том, что его можно применить к любой другой каталитической системе», — говорит один из ведущих авторов Джек К. Педерсен. «С помощью нашей вычислительной платформы мы можем быстро отобрать кластеры с перспективными характеристиками. Если речь идет о сокращении выбросов CO2 при электролизе воды с помощью электроискровой абляции, мы можем легко изготовить новый материал и протестировать его непосредственно в лаборатории. Это намного быстрее, чем обычный цикл тестирования-изучения-повторения».
Новый микрокластерный медный катализатор является важным шагом на пути к экологизации промышленной химии. При расширении производства он может заменить процесс Ваккера, уменьшив потребность в нефтепродуктах и сократив выбросы CO2. Поскольку ацетальдегид является строительным материалом для многих других химических веществ, это исследование может трансформировать многие отрасли промышленности, от фармацевтики до сельского хозяйства.
Недавно ученые сообщили о бактериях, которые не только живут на радиоактивном металле технеции, но и защищают его от коррозии.
