Настроив наночастицы золота до нужного размера, исследователи из Университета Брауна разработали катализатор, который избирательно преобразует диоксид углерода (CO2) в монооксид углерода (CO), молекулу активного углерода, которую можно использовать для производства альтернативных видов топлива и химических продуктов.«Наше исследование показывает потенциал тщательно разработанных наночастиц золота для переработки CO2 в полезные формы углерода», — сказал Шухенг Сун, профессор химии и один из старших авторов исследования. «Работа, которую мы здесь проделали, является предварительной, но мы думаем, что у этой технологии есть большой потенциал для расширения для коммерческих приложений».Результаты опубликованы в Журнале Американского химического общества.Идея рециркуляции СО2 — парникового газа, который в настоящее время находится в избытке, — заманчива, но есть препятствия.
CO2 — чрезвычайно стабильная молекула, которую необходимо преобразовать в активную форму, такую как CO, чтобы сделать ее полезной. CO используется для производства синтетического природного газа, метанола и других альтернативных видов топлива.Преобразовать CO2 в CO непросто. Предыдущие исследования показали, что катализаторы из золотой фольги активны для этого преобразования, но они не работают эффективно.
Золото имеет тенденцию реагировать как с CO2, так и с водой, в которой растворен CO2, создавая побочный продукт водорода, а не желаемый CO.Экспериментальная группа Брауна, возглавляемая Сунь и Венлей Чжу, аспирантом в группе Сан, хотела посмотреть, может ли сокращение золота до наночастиц сделать его более селективным по отношению к СО2. Они обнаружили, что наночастицы действительно более селективны, но важен их точный размер.
Частицы размером восемь нанометров обладали наилучшей селективностью, достигая 90-процентной степени превращения CO2 в CO. Другие размеры, протестированные командой — четыре, шесть и 10 нанометров — оказались не такими хорошими.
«Сначала этот результат сбивал с толку», — сказал Эндрю Петерсон, профессор инженерных наук, а также старший автор статьи. «Когда мы сделали частицы меньше, мы получили больше активности, но когда мы стали меньше восьми нанометров, мы получили меньше активности».Чтобы понять, что происходит, Петерсон и доктор наук Рональд Михалски использовали метод моделирования, называемый теорией функционала плотности. Они смогли показать, что форма частиц разного размера влияет на их каталитические свойства.
«Когда вы берете сферу и уменьшаете ее до меньших и меньших размеров, вы, как правило, получаете гораздо больше неровных деталей — плоские поверхности, края и углы», — сказал Петерсон. «Что нам удалось выяснить, так это то, что наиболее активными центрами преобразования CO2 в CO являются краевые участки, в то время как угловые участки преимущественно дают побочный продукт, которым является водород. наступил момент, когда вы начали оптимизировать деятельность, потому что у вас большое количество этих краевых сайтов, но все еще мало этих угловых сайтов. Но если вы сделаете слишком маленький, края начнут сжиматься, и у вас останутся только углы . "Теперь, когда они точно понимают, какая часть катализатора активна, исследователи работают над дальнейшей оптимизацией частиц. «Есть еще много возможностей для улучшения», — сказал Петерсон. «Мы работаем над новыми частицами, которые увеличивают количество активных сайтов».Исследователи полагают, что эти открытия могут стать важным новым направлением для утилизации CO2 в коммерческих масштабах.
«Поскольку мы используем наночастицы, мы используем намного меньше золота, чем в массивном металлическом катализаторе», — сказал Сан. «Это снижает стоимость изготовления такого катализатора и дает возможность масштабирования».Работа финансировалась грантом Национального научного фонда Центру химических инноваций Браун-Йельского университета (CCI), который ищет способы использования CO2 в качестве устойчивого сырья для крупномасштабных товарных химикатов.
Другими авторами статьи были Ондер Метин, Хайфэн Львов, Шаоцзюнь Го, Кристофер Райт и Сяолянь Сунь.