Исследователи МИЭМ НИУ ВШЭ совместно с китайскими учеными создали катализатор, который помогает эффективнее превращать углекислый газ в муравьиную кислоту. Благодаря углеродному покрытию он стабильно работает в кислой среде и при минимальном количестве калия, хотя ранее считалось, что элемент необходим в больших концентрациях.
Это удешевит процесс переработки газа, а также упростит его промышленное применение — например, при получении топлива для экологичных видов транспорта.
Исследование опубликовано в журнале Nature Communications. Электрохимическое восстановление углекислого газа — процесс, в котором газ под действием электрического тока превращается в другие химические соединения. Его давно рассматривают не только как способ утилизации CO₂, но и как источник ценного сырья. Например, муравьиной кислоты, которая может использоваться как жидкое топливо, растворитель или компонент для химической промышленности.
Однако при электрохимическом восстановлении CO₂ возникает проблема: из-за побочной реакции выделяется водород, который снижает эффективность процесса. В щелочных растворах эту проблему решают добавлением большего количества ионов калия (K⁺), но это приводит не только к удорожанию процесса, но и к образованию осадков, засоряющих установку и ухудшающих ее работу. А если использовать, наоборот, кислую среду, то катализаторы быстро разрушаются и теряют эффективность.
Группа исследователей, включающая специалистов МИЭМ НИУ ВШЭ, предложила альтернативный подход. Они разработали катализатор, стабильно работающий в кислой среде при минимальном количестве калия. Его основа — оксид индия (In₂O₃), покрытый тонким слоем углерода.
Сначала с помощью компьютерного моделирования сотрудники МИЭМ выяснили, как можно контролировать распределение ионов на поверхности катализатора. Модель показала, что углеродное покрытие не только защищает катализатор от разрушения, но и формирует электрическое поле, удерживающее ионы калия у его поверхности. Благодаря этому калий не выпадает в осадок, а нежелательные побочные реакции подавляются.
Чтобы проверить предсказания модели, китайские ученые синтезировали наночастицы оксида индия и покрыли их тонким слоем углерода. Затем провели серию экспериментов в электролитном реакторе. Они использовали сильно кислую среду и в разы меньше калия, чем в традиционных системах. Испытания показали, что даже в таких условиях катализатор оставался стабилен: он сохранял активность более 100 часов, при этом эффективность превращения CO₂ в муравьиную кислоту составляла 98,9%.
«Нам удалось показать, что можно отказаться от избытка калия, который усложняет эксплуатацию системы. Такой подход сделал процесс дешевле, а сам катализатор — более стабильным», — комментирует доцент МИЭМ НИУ ВШЭ Лю Дунюй.
Чтобы убедиться, что дело действительно в углеродном покрытии, исследователи провели дополнительные тесты. Они обнаружили, что без покрытия оксид индия быстро восстанавливается до металлического индия, который гораздо хуже справляется с электрохимическим восстановлением CO₂. Это подтвердило, что именно углеродный слой защищает катализатор, не давая ему разрушаться.
Метод не только упрощает технологию переработки углекислого газа, но и делает ее доступнее для промышленного применения. В отличие от традиционных щелочных систем, он не требует высокой концентрации калия и исключает образование осадков. Внедрение технологии в реальные установки может сделать переработку углекислого газа экологичнее.
«Мы сделали процесс более устойчивым и удобным для масштабирования, а значит, приблизили электрохимическое восстановление углекислого газа к применению на реальном производстве, — комментирует профессор МИЭМ НИУ ВШЭ Андрей Васенко. — Технология может быть полезна не только для синтеза муравьиной кислоты, но и для других процессов, связанных с переработкой CO₂».