Гибридные медно-золотые наночастицы способны преобразовывать углекислоту

Медь – материал, используемый при производстве однопенсовых монет и чайников – также является одним из немногих металлов, который может преобразовывать углекислый газ в углеводородное топливо со сравнительно малыми затратами энергии. Когда к медному электроду подается напряжение, он действует как сильный катализатор и запускает электрохимическую реакцию, в процессе которой углекислый газ разлагается до метана или метанола.

Многие ученые по всему миру уже давно изучают свойства меди, которая обещает стать энергоэффективным средством переработки выбросов углекислого газа на теплоэлектростанциях. Вместо выброса углекислоты в атмосферу, она будет пропущена через медный катализатор и преобразована в метан, который может быть использован для обеспечения работы станции. Такие самообеспечивающиеся системы помогут существенно сократить объемы выброса парниковых газов на станциях, работающих на угле или природном газе.

Однако медь обладает свойством непостоянности – она легко окисляется, что видно по старым однопенсовым монетам, которые со временем зеленеют. Изменчивость этого металла может существенно снизить скорость протекания химической реакции и привести к образованию нежелательных побочных продуктов – таких, как оксид углерода (то есть угарный газ) или муравьиная кислота.

Исследователи из Массачусетского технологического института нашли решение, которое позволит сократить энергозатраты в процессе переработки углекислого газа и сделать медь намного более стабильной. Ученые создали крошечные наночастицы, которые представляют собой смесь меди и золота и устойчивы к коррозии и окислению.

В ходе экспериментов было замечено, что даже малое содержание золота делает медь гораздо более стабильной. Ученые покрыли электроды гибридными частицами и обнаружили, что они требуют гораздо меньше энергии для вступления в реакцию с углекислым газом, чем наночастицы из чистой меди.

Исследование, результаты которого будут опубликованы в журнале «Chemical Communications», было спонсировано Национальным научным фондом США. Соавтор работы Кимберли Хамад-Шифферли из Массачусетского технологического института отмечает, что новая разработка может стать эффективным средством сокращения поступления в атмосферу углекислого газа, производимого электростанциями.

«Как правило, преобразование углекислоты во что-нибудь полезное требует значительных энергозатрат, - объясняет Хамад-Шифферли, доцент кафедры инженерной механики и биотехники. – Нам удалось доказать, что гибридные наночастицы из меди и золота гораздо более стабильны  по сравнению с другими и могут снижать объемы энергии, необходимой для протекания реакции».

По словам Хамад-Шифферли, ученые решили создавать частицы на наноуровне, чтобы получить максимально возможный коэффициент полезного действия: чем меньше частица, тем больше площадь поверхности, доступная для взаимодействия с молекулами углекислого газа. 

В ходе проведения экспериментов Кимберли Хамад-Шифферли сотрудничала с доцентом инженерной механики Янг Шао-Хорном, доктором наук Сычуань Су и Эрикой Лай. Ученые выбрали золото в качестве дополнительного вещества, главным образом, из-за хорошо известных свойств этого металла. Исследователи и раньше смешивали медь и золото в разных пропорциях и обнаружили, что эта смесь предотвращает медь от окисления.

Чтобы создать наночастицы, Хамад-Шифферли и ее коллеги добавили соль, содержащую золото, в раствор медной соли. Полученная смесь была нагрета, в результате чего образовались гибридные наночастицы. Далее доктор наук Сычуань Су провел ряд химических реакций, в процессе которых раствор был преобразован в порошок, используемый для покрытия электродов.

Для проверки реакционной способности наночастиц Су поместил электрод в лабораторный стакан с раствором и пропустил через него углекислый газ. Исследователь подал небольшое напряжение на электрод и измерил силу тока в растворе.

Ученые посчитали, что сила тока укажет, насколько эффективно наночастицы взаимодействуют с газом: когда молекулы углекислого газа вступают в реакцию с участками электрода, а потом высвобождаются, уступая место другим молекулам, и создается определенный уровень напряжения, возникает электрический ток. Если молекулы «монополизируют» отдельные участки электрода, это замедляет реакцию и задерживает появление электрического тока при том же уровне напряжения.

В итоге ученые обнаружили, что потенциал, приложенный для создания установившегося тока, гораздо меньше при применении гибридных наночастиц, чем частиц из чистой меди и золота – это значит, что энергозатраты для проведения реакции в первом случае гораздо ниже.

В будущем Хамад-Шифферли надеется уделить особое внимание структуре медно-золотых наночастиц, чтобы определить их наиболее оптимальную конфигурацию для преобразования углекислоты. На данный момент ученые продемонстрировали эффективность наночастиц, на треть состоящих из золота и двух третьих – меди, и наоборот.

Исследовательница признает, что покрытие электродов золотом в промышленных масштабах может оказаться далеко не дешевым. Однако, по ее мнению, экономия энергии и возможность повторного использования электродов помогут компенсировать первоначальные затраты.

«Приходится идти на компромиссы, - говорит Хамад-Шифферли. – Конечно, золото дороже меди. Однако, если оно позволяет получить метан из углекислого газа при небольших энегозатратах, это того стоит. Возможность использовать электроды многократно и их долговечность, обеспечиваемая наличием золота, является одним из основных достоинств новой разработки». 

EnergyDaily, перевод с английского – Наталья Пристром

http://www.energy-daily.com/reports/Hybrid_copper_gold_nanoparticles_convert_CO2_999.html