Новая система «сокатализатора» с использованием недорогих и простых в изготовлении материалов на основе углеродных нановолокон эффективно превращает диоксид углерода в монооксид углерода, полезный исходный материал для синтеза топлива. Результаты были опубликованы в Интернете перед печатью в журнале Nature Communications.
«Я считаю, что это может открыть новую область для разработки недорогих и эффективных каталитических систем для многих исследователей, уже работающих с этими легко поддающимися обработке усовершенствованными углеродными материалами», — говорит Амин Салехи-Ходжин, профессор механической и промышленной инженерии UIC и главный исследователь изучение.
Исследователи потратили десятилетия, пытаясь найти эффективный, коммерчески жизнеспособный способ химического «уменьшения» или снижения степени окисления диоксида углерода.
Исследователи UIC подошли к проблеме по-новому.
По словам Салехи-Ходжина, хотя восстановление диоксида углерода — это двухэтапный процесс, химики обычно использовали один катализатор. Он и его коллеги экспериментировали с использованием разных катализаторов на каждом этапе.
В предыдущей работе Салехи-Ходжин использовал ионную жидкость для катализирования первой стадии реакции и серебро для окончательного восстановления до моноксида углерода.
По его словам, система сокатализатора была более эффективной, чем системы восстановления двуокиси углерода с одним катализатором.
Но серебро дорого. Поэтому он и его коллеги решили проверить, может ли сравнительно новый класс безметалловых катализаторов — графитовые углеродные структуры, легированные другими реактивными атомами, — работать вместо серебра.
Они попробовали обычный конструкционный материал, углеродные нановолокна, которые были легированы азотом, в качестве замены серебра, чтобы катализировать второй этап.
Когда эти углеродные материалы используются в качестве катализаторов, легирующие атомы, чаще всего азот, запускают реакцию восстановления.
Но, внимательно изучив эту конкретную реакцию, исследователи обнаружили, что катализатором был не азот.
«Это был атом углерода, сидящий рядом с допантом, — сказал Мохаммад Асади, аспирант UIC, который является одним из двух первых авторов исследования.
«Сначала мы были очень удивлены», — сказал Асади.
Но по мере того, как они продолжали характеризовать реакцию, стало ясно, что не только углерод катализирует реакцию, но и что система сокатализатора более эффективна, чем серебро, «демонстрируя существенные синергетические эффекты», — сказал Асади.
Биджандра Кумар, исследователь UIC и другой первый автор статьи, сказал, что команда «раскрыла скрытый механизм» сокатализируемой реакции, которая «открыла множество возможностей для разработки недорогой и эффективной каталитической системы для углерода. конверсия диоксида."
«Кроме того, можно представить, что, используя атомарно тонкие двумерные графеновые нанопласты, которые имеют чрезвычайно большую площадь поверхности и могут быть легко сконструированы с использованием атомов примеси, таких как азот, мы можем разработать еще более эффективные каталитические системы», — сказал Кумар.
«Если бы реакция произошла на допанте, у нас не было бы большой свободы с точки зрения структуры», — сказал Салехи-Ходжин.
В этом случае мало что можно сделать для повышения эффективности или стабильности реакции.
Но поскольку реакция происходит на углероде, «у нас есть огромная свобода» использовать эти очень современные углеродные материалы для оптимизации реакции, сказал он.
Исследователи надеются, что их исследования приведут к коммерчески жизнеспособным процессам производства синтез-газа и даже бензина из двуокиси углерода.
Соавторы: Давид Писасале, Суман Синха-Рэй, Иеремия Абиаде и Александр Ярин из UIC, а также Брайан Розен и Ричард Хааш из Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн.
Исследование частично поддержано МСЖД.
Работа была частично выполнена в Лаборатории исследования материалов Фредерика Зейтца в кампусе Урбана-Шампейн.