Ученые из Стэнфордского университета, Национальной ускорительной лаборатории SLAC и Датского технического университета объединили теорию и экспериментирование, чтобы определить новый катализатор галлия никеля, который преобразовывает водород и углекислый газ в метанол с меньшим количеством продуктов стороны, чем обычный катализатор. Результаты изданы в выпуске онлайн 2 марта журнала Nature Chemistry.«Метанол обработан на огромных фабриках в очень высоком давлении, используя водород, углекислый газ и угарный газ от природного газа», сказал, исследование приводят автора Феликса Штудта, научного сотрудника из SLAC. «Мы ищем материалы, чем может сделать метанол из чистых источников при условиях низкого давления, производя низкие суммы угарного газа».
Конечная цель должна развивать крупномасштабный производственный процесс, который является не загрязняющим окружающую среду и углерод, нейтральное использование чистит водород, сказали авторы.«Вообразите, могли ли бы Вы синтезировать метанол, используя водород из возобновляемых источников, таких как вода, разделенная солнечным светом и углекислым газом, захваченным из электростанций и других промышленных дымовых труб», сказал соавтор Йенс Норсков, преподаватель химического машиностроения в Стэнфорде. «В конечном счете мы также хотели бы сделать выше alcohols, такие как этанол и propanol, который, в отличие от метанола, может быть непосредственно добавлен к бензину сегодня».Промышленный метанолВо всем мире приблизительно 65 миллионов метрических тонн метанола производятся каждый год для использования в изготовлении красок, полимеров, клеев и других продуктов.
На типичном заводе по производству метанола природный газ и вода преобразованы в газ синтеза («синтетический газ»), который состоит из угарного газа, углекислого газа и водорода. Синтетический газ тогда преобразован в метанол в процессе с высоким давлением, используя катализатор, сделанный из меди, цинка и алюминия.
«Мы провели много времени, изучив синтез метанола и производственный процесс», сказал Штудт. «Нам потребовались приблизительно три года, чтобы выяснить, как процесс работает и определить активные места на медном алюминиевом цинком катализаторе, которые синтезируют метанол».Как только он и его коллеги поняли синтез метанола на молекулярном уровне, они начали охоту на новый катализатор, способный к синтезированию метанола при низких давлениях, используя только водород и углекислый газ.
Вместо того, чтобы проверить множество комплексов в лаборатории, Studt искал многообещающие катализаторы в крупной компьютеризированной базе данных, которую он и соавтор Франк Абилд-Педерсен развивали в SLAC.«Техника известна как вычислительный дизайн материалов», объяснил Норсков, директор Центра SUNCAT Интерфейсной Науки и Катализа в Стэнфорде и SLAC. «Вы получаете идеи для новых функциональных материалов, базирующихся полностью на компьютерных вычислениях. Там не эмпирическое в лаборатории сначала.
Вы используете свое понимание и огромную производительность компьютера, чтобы определить новые и интересные материалы, которые могут тогда быть проверены экспериментально».Studt сравнил медный алюминиевый цинком катализатор с тысячами других материалов в базе данных.
Самый многообещающий кандидат оказался малоизвестным комплексом, названным галлием никеля.«Как только мы вытащили название комплекса из компьютера, кто-то все еще должен был проверить его», сказал Норсков. «Мы не делаем экспериментов лаборатории здесь, таким образом, у нас должен быть хороший экспериментальный партнер».Норсков обратился к исследовательской группе в Датском техническом университете во главе с соавтором Ибом Чоркендорффом.
Во-первых, датская команда выполнила задачу синтезирования никеля и галлия в твердый катализатор. Тогда ученые провели ряд экспериментов, чтобы видеть, мог ли бы новый катализатор на самом деле произвести метанол при обычном давлении помещения.
Тесты лаборатории подтвердили, что компьютер сделал правильный выбор. При высоких температурах галлий никеля произвел больше метанола, чем обычный медный алюминиевый цинком катализатор и значительно меньше побочного продукта угарного газа.
«Вы хотите сделать метанол, не угарный газ», сказал Чоркендорфф. «Вы также хотите катализатор, это стабильно и не разлагается. Тесты лаборатории показали, что галлий никеля – на самом деле, очень стабильное тело».В то время как эти результаты показывают обещание, большая работа предстоит в будущем. «Мы хотели бы сделать катализатор немного более чистым», добавил Чоркендорфф. «Если это содержит всего несколько наночастиц чистого никеля, продукция понижается вполне немного, потому что чистый никель паршив при синтезировании метанола. На самом деле это делает все виды химических побочных продуктов, которые Вы не хотите».
Никель относительно в изобилии, и галлий, хотя более дорогой, широко используется в промышленности электроники. Это предполагает, что новый катализатор мог в конечном счете быть расширен для промышленного использования, по словам авторов.
Но сделать синтез метанола процесс действительно с нулевым балансом выбросов углерода потребует преодоления многих дополнительных препятствий, отметили они.