В Корее разработали катализатор, преобразующий диоксид углерода в изопропанол при комнатной температуре и атмосферном давлении
- 1 час назад
- 3 мин. чтения
Корреспондент Чон Чжу Вон
- Производство изопропанола (также известный как изопропиловый спирт или пропанол-2), используемого для очистки полупроводников
- Подтверждена высокая эффективность и стабильность при комнатной температуре и нормальном атмосферном давлении
Фотография исследования по преобразованию диоксида углерода в изопропанол [Предоставлено Университетом Сонгюнгван]
Исследовательская группа Университета Сонгюнгван разработала высокоэффективный катализатор, непосредственно преобразующий диоксид углерода в изопропанол (также известный как изопропиловый спирт или пропанол-2).
14 августа Университет Сонгюнгван сообщил, что исследовательская группа во главе с профессором Ким Чжон Гю из факультета химической инженерии совместно с командами под руководством профессоров Ли Сан Ука и Ко Чжэ Хёна из Корейского института науки и технологий (KIST) разработала катализатор, преобразующий диоксид углерода в изопропанол. Результаты исследования опубликованы в онлайн-версии международного научного журнала «Applied Catalysis B: Environment and Energy».
Технологии, позволяющие преобразовывать диоксид углерода в полезные химические вещества с помощью электроэнергии, позволяют одновременно сокращать выбросы парниковых газов и использовать их в качестве ресурса, поэтому исследования в этой области продолжаются. Однако существующие технологии в основном ограничивались производством веществ с относительно простой структурой, таких как оксид углерода или метан.
Исследовательская группа усовершенствовала эту технологию, регулируя поток электронов на поверхности катализатора таким образом, чтобы одновременно запускались два пути химической реакции. В ходе этого процесса исследователям удалось избирательно синтезировать изопропанол — вещество со сложной структурой, получаемое путем соединения атомов углерода в молекулах диоксида углерода.
Графический абстракт. Ni2P, легированный Ce(OH)x, обеспечивает синергетическое восстановление CO2 по двум путям (*OCHO в области, близкой к Ce, и COOH в области, удаленной от Ce) за счет пространственно-структурированной электронной гетерогенности, при которой низковалентный Niδ+ стабилизирует промежуточные соединения промежуточные соединения OCHO, а их сосуществование способствует соединению C2–*C1 посредством альдольной конденсации и механизма, аналогичного процессу Фишера-Тропша, что позволяет добиться селективного получения 2-пропанола с фарадеевским КПД 21,0 % при сверхнизком перенапряжении −0,02 В относительно RHE.
Рис. 1. Схематическое изображение (а) атомной модели бинарного пути реакции и (б) предполагаемого механизма CO2RR для совместного производства EG и 2-пропанола на Ce(OH)x/Ni2P. (c) Кривые поляризации в насыщенном Ar или CO2 растворе 0,1 M KHCO3 для Ni2P, Ce(OH)x и Ce(OH)x/Ni2P в трехэлектродной системе. (d) Коэффициенты выхода и (e) фарадеевские эффективности (FE) для жидких продуктов, полученных в результате CO2RR при −0,02 V относительно RHE на Ni2P и Ce(OH)x/Ni2P (FA: муравьиная кислота, MeOH: метанол, AcAld: ацетальдегид, EtOH: этанол, PrAld: пропиональдегид). Значения представляют собой средние величины, а полосы погрешности отражают стандартное отклонение по результатам трёх независимых измерений (n = 3). (f) Испытание долгосрочной стабильности Ce(OH)x/Ni2P с использованием хронопотенциометрии в двухэлектродной системе. (g) Спектры 1H ЯМР жидких продуктов реакции CO2RR на Ce(OH)x/Ni2P в сравнении с эталонными соединениями 1-PrOH и 2-PrOH.
Рис. 2. (a) Изображения Ce(OH)x/Ni2P, полученные с помощью ТЭМ, (b) ВРТЭМ и (c) HAADF-СТЭМ. (d–f) Изображения FFT Ce(OH)x/Ni2P из выбранных областей (c). (g) Спектры EELS Ce(OH)x/Ni2P из выбранных областей изображения во вставке в сравнении с эталонным образцом CeO2. (h) Дифрактограммы XRD и спектры XPS высокого разрешения: (i) Ni 2p, (j) P 2p, (k) O 1 s для Ni2P и Ce(OH)x/Ni2P. (l) Спектры XANES на K-крае Ni и (m) спектры Фурье-преобразования (FT)-EXAFS для Ni2P и Ce(OH)x/Ni2P.
Рис. 3. Спектры ATR-FTIR для Ni2P и Ce(OH)x/Ni2P в ходе CO2RR: (a) при −0,02 V относительно RHE в зависимости от времени реакции и (b) при различных приложенных потенциалах. (c) Сравнение спектров ЯМР для реакции CO2RR на Ce(OH)x/Ni2P с использованием и без использования TEMPO в качестве уловителя радикалов. (d) Коэффициенты выхода и (e) спектры ЯМР для реакции CO2RR с участием соединений C1 (FA: муравьиная кислота и FAld: формальдегид) на Ce(OH)x/Ni2P.
Рис. 4. (a) Вид сверху на гетероструктуру Ce(OH)x/Ni2P с значениями заряда по Бадеру для поверхностных атомов Ni в областях, близких и удаленных от Ce, а также предлагаемые механизмы CO2RR для образования 2-PrOH и EG по пути COOH в области, удаленной от Ce, и по пути OCHO в области, близкой к Ce. (b) Рассчитанный показатель FED, сравнивающий путь COOH для образования 2-PrOH и путь OCHO для образования 2-PrOH и EG в областях, близких и удаленных от Ce, соответственно. (c) Сравнение предельных потенциалов (UL) для образования 2-PrOH в Ni2P, Ce(OH)x и Ce(OH)x/Ni2P.
Изопропанол - это промышленный спирт, используемый в качестве средства для очистки полупроводников и дезинфицирующего средства. Разработанный исследовательской группой катализатор обеспечил высокоэффективное производство данного вещества при комнатной температуре и нормальном атмосферном давлении без использования отдельного высоконапорного оборудования. Стабильность технологии подтверждена сохранением рабочих характеристик даже после 48 часов непрерывной работы.
«Мы разработали катализатор таким образом, чтобы два пути химической реакции сотрудничали друг с другом» - сказал профессор Ким Чжон Гю из Университета Сонгюнгван, добавив: «Ожидается, что это будет способствовать коммерциализации технологии преобразования углекислого газа в промышленное сырье».
Комментарии