Настраивая золотые наночастицы на просто правильный размер, исследователи из Университета Брауна развивали катализатор, который выборочно преобразовывает углекислый газ (CO2) в угарный газ (CO), активная углеродная молекула, которая может использоваться, чтобы сделать альтернативные виды топлива и товарные химикаты.«Наше исследование показывает потенциал тщательно разработанных золотых наночастиц, чтобы переработать CO2 в полезные формы углерода», сказал Шоуэнг Солнце, преподаватель химии и один из ведущих авторов исследования. «Работа, которую мы сделали здесь, предварительна, но мы думаем, что есть большой потенциал для этой технологии, которая будет расширена для коммерческого применения».Результаты изданы в Журнале американского Химического Общества.Идея переработать CO2 – парниковый газ, который ток планеты имеет в избытке – соблазнителен, но есть препятствия.
CO2 – чрезвычайно стабильная молекула, которая должна быть уменьшена до активной формы как CO, чтобы сделать его полезным. CO используется, чтобы сделать синтетический природный газ, метанол и другие альтернативные виды топлива.
Преобразование CO2 к CO не легко. Предшествующее исследование показало, что катализаторы, сделанные из золотой фольги, активны для этого преобразования, но они не делают работы эффективно. Золото имеет тенденцию реагировать и с CO2 и с водой, в которой CO2 растворен, создав водородный побочный продукт, а не желаемый CO.
Браун, которого экспериментальная группа, во главе с Солнцем и Вэньлэй Чжу, аспирантом в группе Солнца, хотела видеть, сокращая золото вниз к наночастицам, мог бы сделать его более отборным для CO2. Они нашли, что наночастицы были действительно более отборными, но что точный размер тех частиц был важен. У частиц на восемь миллимикронов была лучшая селективность, достигая 90-процентного темпа преобразования от CO2 до CO.
Другие размеры, которые команда проверила – четыре, шесть, и 10 миллимикронов – не выступали почти также.«Сначала, тот результат был запутывающим», сказал Эндрю Петерсон, преподаватель разработки и также ведущий автор на бумаге. «Когда мы сделали частицы меньшими, мы получили больше деятельности, но когда мы пошли меньшие, чем восемь миллимикронов, мы получили меньше деятельности».Чтобы понять, что происходило, Петерсон и постдокторский исследователь Рональд Михальски использовали метод моделирования, названный плотностью функциональная теория. Они смогли показать, что формы частиц в различных размерах влияли на свои каталитические свойства.
«Когда Вы берете сферу, и Вы уменьшаете ее до меньших и меньших размеров, Вы склонны получать еще много неправильных черт – плоские поверхности, края и углы», сказал Петерсон. «Что мы смогли выяснить, то, что самые активные места для преобразования CO2 к CO являются местами края, в то время как угловые территории преимущественно дают побочный продукт, который является водородом. Таким образом, поскольку Вы сокращаете эти частицы вниз, Вы поразите пункт, где Вы начинаете оптимизировать деятельность, потому что у Вас есть высокое количество этих мест края, но все еще низкое количество этих угловых территорий. Но если Вы идете слишком маленькие, края начинают сжиматься, и Вас оставляют только с углами».Теперь, когда они понимают точно, какая часть катализатора активна, исследователи работают, чтобы далее оптимизировать частицы. «Есть все еще большой простор для совершенствования», сказал Петерсон. «Мы работаем над новыми частицами, которые максимизируют эти активные места».
Исследователи полагают, что эти результаты могли быть важным новым путем для переработки CO2 в коммерческом масштабе.«Поскольку мы используем наночастицы, мы используем намного меньше золота, чем в оптовом катализаторе металла», сказало Солнце. «Это понижает стоимость для того, чтобы сделать такой катализатор и дает потенциал, чтобы расшириться».Работа финансировалась грантом Национального научного фонда Центру Брауна-Йельского-университета Химических Инноваций (CCI), который ищет способы использовать CO2 в качестве стабильного сырья для промышленности для крупномасштабных товарных химикатов.
Другими авторами на бумаге был Ондер Метин, Хайфэн Lv, Шаоцзюнь Го, Кристофер Райт и Сяолянь Сунь.