Недавнее открытие ученых Стэнфордского университета может привести к новому, более устойчивому способу производства этанола без кукурузы или других культур. Эта многообещающая технология состоит из трех основных компонентов: воды, углекислого газа и электричества, доставляемых через медный катализатор.
Результаты опубликованы в Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).
«Одна из наших долгосрочных целей – производить этанол из возобновляемых источников таким образом, чтобы не повлиять на мировое снабжение продовольствием», – сказал главный исследователь Томас Харамилло, доцент кафедры химической инженерии в Стэнфорде и фотонной науки в SLAC National Ускорительная лаборатория.
Ученые хотели бы разработать медные катализаторы, которые избирательно превращают диоксид углерода в более ценные химические вещества и топливо, такие как этанол и пропанол, с небольшим количеством побочных продуктов или без них.
Но сначала им нужно четкое понимание того, как на самом деле работают эти катализаторы. Вот где приходят последние результаты.
Кристаллы меди
Для исследования PNAS команда Стэнфордского университета выбрала три образца кристаллической меди, известных как медь (100), медь (111) и медь (751).
Ученые используют эти числа для описания геометрии поверхности монокристаллов.
«Медь (100), (111) и (751) выглядят практически одинаково, но имеют существенные различия в том, как их атомы расположены на поверхности», – сказал Кристофер Хан, младший научный сотрудник SLAC и ведущий автор книги. учиться. «Суть нашей работы – понять, как эти различные грани меди влияют на электрокаталитические характеристики."
В предыдущих исследованиях ученые создали монокристаллические медные электроды размером всего 1 квадратный миллиметр.
«С таким маленьким кристаллом трудно идентифицировать и количественно определить молекулы, которые образуются на поверхности», – объяснил Хан. "Это приводит к трудностям в понимании химических реакций, поэтому нашей целью было сделать медные электроды большего размера с качеством поверхности монокристалла."
Чтобы создать образцы большего размера, Хан и его сотрудники из SLAC разработали новый способ выращивания монокристаллической меди на больших пластинах из кремния и сапфира.
«То, что сделал Крис, было потрясающим», – сказал Харамилло. «Он сделал пленки из меди (100), (111) и (751) с поверхностью 6 квадратных сантиметров. Это в 600 раз больше, чем у обычных монокристаллов.
Каталитическая производительность
Чтобы сравнить электрокаталитические характеристики, исследователи поместили три больших электрода в воду, подвергли их воздействию углекислого газа и применили потенциал для генерации электрического тока.
Результаты были очевидны. Когда было приложено определенное напряжение, электроды из меди (751) были гораздо более селективными по отношению к жидким продуктам, таким как этанол и пропанол, чем электроды из меди (100) или (111).
Объяснение может заключаться в различных способах выравнивания атомов меди на трех поверхностях.
«В меди (100) и (111) поверхностные атомы упакованы близко друг к другу, как квадратная сетка и соты соответственно», – сказал Хан. "В результате каждый атом связан со многими другими атомами вокруг него, и это делает поверхность более инертной."
Но в меди (751) поверхностные атомы расположены дальше друг от друга.
«У атома меди (751) есть только два ближайших соседа», – сказал Хан. "Но атом, который не связан с другими атомами, весьма несчастлив, и это заставляет его сильнее связываться с поступающими реагентами, такими как углекислый газ.
Мы считаем, что это один из ключевых факторов, которые приводят к лучшей селективности в отношении более ценных продуктов, таких как этанол и пропанол."
В конечном итоге команда Стэнфорда хотела бы разработать технологию, способную избирательно производить углеродно-нейтральное топливо и химические вещества в промышленных масштабах.
«Целью приза является создание лучших катализаторов, которые могут изменить правила игры за счет использования углекислого газа в качестве сырья и преобразования его в гораздо более ценные продукты с использованием возобновляемой электроэнергии или солнечного света напрямую», – сказал Харамилло. «Мы планируем использовать этот метод для никеля и других металлов, чтобы лучше понять химию на поверхности.
Мы думаем, что это исследование является важной частью головоломки и откроет перед сообществом совершенно новые направления исследований."
Харамилло также является заместителем директора Центра исследований взаимодействия и катализа SUNCAT, партнерства Стэнфордской школы инженерии и SLAC.
Исследование было также написано со-ведущим автором Тору Хацукаде, Дрю Хиггинс и Стефани Нитопи из Стэнфорда; Юн-Гын Ким из SLAC; и Джек Барикуатро и Мануэль Сориага из Калифорнийского технологического института.