Золотые наночастицы помогут преобразовать углекислоту в топливо

Мельчайшие частицы золота, тщательно подобранные исследователями из частного американского Университета Брауна (Brown University), становятся катализатором, избирательно преобразующим углекислый газ CO2 в окись углерода CO, которую затем можно использовать для производства альтернативных видов топлива.

«Наше исследование раскрывает потенциал тщательно обработанных наночастиц золота для преобразования СО2 в полезные формы углерода», - рассказал Шухен Сан (Shouheng Sun) профессор химии и один из ведущих авторов исследования, опубликованного в «Журнале Американского химического общества» (Journal of the American Chemical Society). «Работа, которую мы выполнили, предварительная, но мы считаем, что огромный потенциал этой технологии необходимо расширить для коммерческого применения».

Двуокись углерода CO2 – стабильная молекула, которая должна быть преобразована в активную форму CO, чтобы сделать ее полезной для создания синтетического «природного газа», метанола и других альтернативных видов топлива. Предыдущие исследования показали, что катализаторы из золотой фольги активизируют это преобразование, но не являются эффективными. Золото стремится реагировать с CO2 и водой, в которой растворен углекислый газ, стимулируя появление побочного продукта водорода, а не только CO. Группа экспериментаторов из Университета Брауна во главе с профессором Саном и аспирантом Вэньлэй Чжу (Wenlei Zhu) решила выяснить, насколько изменится характер воздействия золота на углекислоту, если измельчить его до размеров наночастиц.

Исследователи обнаружили, что золотые наночастицы действуют избирательнее фольги, но что еще важнее, для эффективности процесса существенное значение имеет точный размер частиц. Оказалось, что наночастицы размером 8 нанометров обеспечивают преобразование в СО 90% углекислого газа. Команда также тестировала другие размеры 4, 6 и 10 нм, но результат оказался хуже.

По словам профессора Эндрю Петерсона (Andrew Peterson) результат оказался неожиданным. «Когда мы уменьшали частицы, то получали больше активности, но когда мы прошли 8 нанометров, то получили ослабление активности». Чтобы понять, что происходит Петерсон и исследователь Рональд Михальски (Ronald Michalsky) использовали моделирование методами теории функционала плотности. Они смогли показать, каким образом влияет на каталитические свойства форма частиц при разных размерах.

«Когда вы берете сферу и сокращаете ее до меньших и меньших размеров, как правило, получается все более неправильная форма с плоскими поверхностями, гранями и углами», - объясняет Петерсон. Мы выяснили, что наибольшую активность преобразования СО2 в СО проявляют грани частиц, в то время, как углы преимущественно производят побочные продукты, которым является водород. С уменьшением размеров частиц появляются точки, где оптимизируется активность, т.к. появляется все больше граней, но все еще небольшое число углов. Однако если частицы слишком уменьшаются, грани начинают сокращаться, и вы остаетесь с одними углами».

Понимание сущности процесса позволило исследователям продолжить работу над дальнейшей оптимизацией частиц. Ученые считают, что эти знания могут быть использованы для рециркуляции CO2 в промышленных масштабах. «Так как мы используем наночастицы, мы используем гораздо меньше золота, чем в массовых металлических катализаторах, что снижает стоимость изготовления и дает возможность для расширения масштабов», - считает профессор Сан.