Новый тип нанокристаллического медного электрода, катализирующего электрохимическую конверсию моноксида углерода в спирты, был продемонстрирован исследователями из США. Исследователи надеются, что в будущем новая система окажется полезной для запасания энергии из возобновляемых источников, а также сделает технологии улавливания диоксида углерода более удобными с экономической точки зрения.

Ряд электрохимических катализаторов могут восстанавливать углекислый газ до моноксида углерода, но тот нельзя назвать хорошим топливом – у газообразного СО низкая плотность энергии, а также он отличается высокой токсичностью. Дальнейшее восстановление моноксида углерода до жидких топлив, таких как спирты, однако, представляет собой более сложный процесс. Был разработан уже целый ряд каталитических процессов, с помощью которых можно получать спирты из моноксида углерода и водорода, однако недостатком этих процессов является то, что в промышленности водород получают переработкой ископаемых топлив.



Зоны соприкосновения зерен нового катализатора могут объяснять его уникальную способность восстанавливать моноксид углерода. (Рисунок из Nature, 2014, DOI: 10.1038/nature13249)

Электрохимическое восстановление моноксида углерода до спиртов с использованием лишь воды в качестве источника водорода является ключевой целью для специалистов по химии топлива. Эта реакция катализируется медью, так что, принципиально – все, что нужно для ее осуществления это электрод из меди. Однако на практике большая часть водорода, который образуется при электрохимическом разложении воды, скорее выделяется в виде газа, не восстанавливая угарный газ.

Мэттью Канан (Matthew Kanan) с коллегами из Стэнфорда и Национальной Лаборатории Лоуренса Беркли сравнили результаты, полученные с помощью стандартных электродов из медной фольги с результатами, полученными с помощью электродов из нанокристаллической меди. Исследователи изучили как коммерчески доступные электроды из наночастиц, которые были получены быстрым испарением меди и последующим охлаждением ее паров с образованием наночастиц, так и электроды собственного изготовления, которые они получали, окисляя медную фольгу и восстанавливая оксид до меди.

Как при применении стандартного электрода из медной фольги, так и при применении коммерческих медных электродов из наночастиц на восстановление моноксида углерода затрачивалось лишь 5% от электрохимически сгенерированного водорода. Электроды полученные восстановлением оксида, напротив, приводил к 50% использованию водорода, который восстанавливал СО в смесь этанола, уксусной кислоты, этилена и пропанола.

Исследователи предполагают, что полученные непосредственно ими электроды обеспечивают такой высокий результат благодаря границам между отдельными наночастицами, входящими в состав электрода – на таких границах могут формироваться соединения, которые не могут быть устойчивы на обычной поверхности частицы. В настоящее время исследователи планируют построить карты этих границ между наночастицами с атомным разрешением в надежде, что такая информация поможет химикам-теоретикам определить, в какие конкретно реакции вступает моноксид углерода на этих границах.

Специалист по электрохимии из Лейденского Университета Марк Копер (Marc Koper) отмечает, что ему очень нравится новая работа. Он подчеркивает, что пока еще рано говорить что-то о ее практическом применении, и исследователям предстоит решить много проблем, но делает вывод о том, что, возможно, в группе Канан нашли правильное направление, двигаясь в котором можно модернизировать процесс электрохимического восстановления СО.