Превращение CO2 в уксус с помощью умного катализатора

Исследователи создали катализатор, который может превращать углекислый газ в уксусную кислоту, чрезвычайно полезную промышленную химическую и пищевую добавку.

Австралийские, американские и японские исследователи, опубликовавшие свое исследование в журнале Nature Communications, говорят, что их метод указывает на масштабируемый способ превратить выбросы углекислого газа в полезные материалы.

Ежегодно во всем мире требуется около 6,5 миллионов тонн уксусной кислоты для производства целого ряда продуктов, включая фармацевтические препараты, винил, текстиль и косметику.

Он также является основным компонентом уксуса и часто используется в качестве пищевого консерванта.

В пищевой промышленности уксусная кислота в основном производится путем ферментации, но в других отраслях ее производят из ископаемого топлива, выделяя при этом выбросы парниковых газов. Для работы производства обычно также требуются дорогие драгоценные металлы, такие как кобальт, иридий и родий.

Теперь эта команда выяснила, как получить уксусную кислоту из углекислого газа и водорода, используя (более дешевое) железо в качестве катализатора.

Железный катализатор также остается твердым на протяжении всей реакции, а это означает, что процесс не требует дополнительного оборудования и энергии для очистки уксусной кислоты после ее получения.

«Из теории мы знали, что железо должно быть хорошим кандидатом для катализатора этой реакции, но задача состоит в том, чтобы сохранить его стабильность в условиях кислой воды», — говорит старший автор, доцент Акшат Танксейл, инженер-химик из Университета Монаша.

При производстве уксусной кислоты образуется – что неудивительно – кислота, растворенная в воде.

«Как известно, железо ржавеет – окисляется – в воде, тогда как мы хотели, чтобы оно хотя бы частично оставалось в металлической форме», — говорит Танксейл.

Решением исследователей было использовать металлоорганический каркас (MOF): вещество, состоящее из атомов металлов (в данном случае железа), связанных мостиками на основе углерода, образующих своего рода губку с отверстиями размером с молекулу.

Получайте обновления научных историй прямо на свой почтовый ящик.

Затем они нагрели MOF, позволив некоторым атомам железа слиться вместе и образовать частицы размером в несколько нанометров, внедренные в пористый слой углерода.

Полученный катализатор мог бы очень эффективно производить уксусную кислоту (CH3COOH) из CO2 и водорода (H2).

Танксейл говорит, что его команде потребовалось больше года, методом проб и ошибок, чтобы найти этот катализатор.

«Мы начали работать над этим проектом в начале пандемии COVID-19 в 2020 году, поэтому моих научных сотрудников и студентов не допускали в лабораторию каждый день, и им приходилось работать в одиночку, посменно», — говорит он.

«Нам потребовалось еще 18 месяцев, чтобы предоставить убедительные доказательства того, как этот катализатор работает на молекулярном уровне, и при этом нам пришлось пережить ряд периодов изоляции в Мельбурне».

Катализатор дешевле тех, которые используются сейчас, и исследователи работают над его коммерциализацией.

Узким местом, говорит Танксейл, является не сам катализатор, а сырье: CO2 и водород.

«Хотя сегодня они легко доступны, их стоимость значительно выше, если они получены из экологически чистых источников», - говорит он.

«Чтобы воспользоваться истинными преимуществами нашей технологии, то есть добиться отрицательных выбросов углерода, углекислый газ необходимо улавливать из воздуха, а водород необходимо производить из воды с использованием возобновляемой энергии (зеленый водород).

«Эти передовые технологии еще не достигли своего полного коммерческого потенциала».

Первоначально опубликовано в журнале Cosmos под названием «Извлечение углекислого газа из атмосферы и превращение его в уксус».

Эллен Фиддиан — научный журналист Cosmos. Она имеет степень бакалавра (с отличием) в области химии и научных коммуникаций, а также степень магистра в области научной коммуникации, полученные в Австралийском национальном университете.

Никогда еще не было более важного времени, чтобы объяснять факты, ценить научно обоснованные знания и демонстрировать последние научные, технологические и инженерные достижения. «Космос» издается Королевским институтом Австралии, благотворительной организацией, призванной связывать людей с миром науки. Финансовые взносы, большие или маленькие, помогают нам обеспечить доступ к достоверной научной информации в то время, когда мир в ней больше всего нуждается. Пожалуйста, поддержите нас, сделав пожертвование или купив подписку сегодня.