Ученые из Стэнфордского университета, Национальной ускорительной лаборатории SLAC и Технического университета Дании объединили теорию и эксперименты, чтобы идентифицировать новый никель-галлиевый катализатор, который превращает водород и диоксид углерода в метанол с меньшим количеством побочных продуктов, чем традиционный катализатор. Результаты опубликованы в онлайн-выпуске журнала Nature Chemistry от 2 марта.
«Метанол перерабатывается на огромных заводах при очень высоком давлении с использованием водорода, диоксида углерода и монооксида углерода из природного газа», — сказал ведущий автор исследования Феликс Стадт, штатный научный сотрудник SLAC. «Мы ищем материалы, которые позволят производить метанол из чистых источников в условиях низкого давления, генерируя при этом небольшое количество окиси углерода».По словам авторов, конечной целью является разработка крупномасштабного производственного процесса, не загрязняющего окружающую среду и не содержащего углерода, с использованием чистого водорода.«Представьте, что вы могли бы синтезировать метанол, используя водород из возобновляемых источников, таких как вода, расщепляемая солнечным светом, и углекислый газ, улавливаемый электростанциями и другими промышленными дымовыми трубами», — сказал соавтор Йенс Норсков, профессор химической инженерии в Стэнфорде. «В конце концов, мы также хотели бы производить высшие спирты, такие как этанол и пропанол, которые, в отличие от метанола, сегодня можно напрямую добавлять в бензин».Промышленный метанол
Ежегодно во всем мире производится около 65 миллионов метрических тонн метанола для использования в производстве красок, полимеров, клеев и других продуктов. На типичной установке по производству метанола природный газ и вода превращаются в синтез-газ («синтез-газ»), который состоит из монооксида углерода, диоксида углерода и водорода. Затем синтез-газ превращается в метанол в процессе высокого давления с использованием катализатора из меди, цинка и алюминия.«Мы потратили много времени на изучение синтеза метанола и производственных процессов», — сказал Студт. «Нам потребовалось около трех лет, чтобы выяснить, как работает этот процесс, и определить активные центры на медно-цинко-алюминиевом катализаторе, которые синтезируют метанол».
Как только он и его коллеги поняли синтез метанола на молекулярном уровне, они начали поиск нового катализатора, способного синтезировать метанол при низких давлениях, используя только водород и диоксид углерода. Вместо того, чтобы тестировать различные соединения в лаборатории, Стадт искал многообещающие катализаторы в огромной компьютеризированной базе данных, которую он и соавтор Фрэнк Абильд-Педерсен разработали в SLAC.«Этот метод известен как проектирование вычислительных материалов», — пояснил Норсков, директор Центра изучения интерфейсов и катализа SUNCAT в Стэнфорде и SLAC. «Вы получаете идеи для новых функциональных материалов, полностью основанные на компьютерных расчетах. В лаборатории сначала нет метода проб и ошибок.
Вы используете свое понимание и огромные компьютерные возможности для выявления новых и интересных материалов, которые затем можно проверить экспериментально».Стадт сравнил катализатор медь-цинк-алюминий с тысячами других материалов в базе данных.
Самым многообещающим кандидатом оказалось малоизвестное соединение никель-галлий.«Как только мы узнали название соединения из компьютера, кому-то все равно пришлось его протестировать», — сказал Норсков. «Мы не проводим здесь лабораторные эксперименты, поэтому нам нужен хороший партнер для экспериментов».Норсков обратился к исследовательской группе Датского технического университета, возглавляемой соавтором Иб Чоркендорф. Сначала датская команда выполнила задачу синтеза никеля и галлия в твердый катализатор.
Затем ученые провели серию экспериментов, чтобы увидеть, действительно ли новый катализатор может производить метанол при обычном комнатном давлении.Лабораторные тесты подтвердили, что компьютер сделал правильный выбор. При высоких температурах никель-галлий производил больше метанола, чем традиционный медь-цинк-алюминиевый катализатор, и значительно меньше побочного продукта — оксида углерода.«Вы хотите производить метанол, а не оксид углерода», — сказал Чоркендорф. «Вам также нужен стабильный и не разлагающийся катализатор.
Лабораторные испытания показали, что никель-галлий на самом деле является очень стабильным твердым веществом».Хотя эти результаты выглядят многообещающими, впереди еще много работы. «Мы хотели бы сделать катализатор более чистым», — добавил Чоркендорф. «Если он содержит всего несколько наночастиц чистого никеля, выход совсем немного падает, потому что чистый никель плохо синтезирует метанол.
Фактически, он производит всевозможные побочные химические продукты, которые вам не нужны».Никеля относительно много, а галлий, хотя и более дорогой, широко используется в электронной промышленности.
Это говорит о том, что, по мнению авторов, новый катализатор в конечном итоге может быть расширен для промышленного использования. Но чтобы сделать синтез метанола действительно углеродно-нейтральным процессом, потребуется преодолеть множество дополнительных препятствий, отметили они.