Снижение стоимости переработки CO₂: новый катализатор для получения муравьиной кислоты

Ученые МИЭМ НИУ ВШЭ совместно с китайскими коллегами разработали новый катализатор, который значительно улучшает процесс электрохимического восстановления углекислого газа (CO₂) в муравьиную кислоту. Благодаря уникальному углеродному покрытию катализатор стабильно работает в кислой среде и при значительно меньшем содержании калия, чем в традиционных методах. Это открытие обещает существенно удешевить процесс переработки углекислого газа и упростить его использование в промышленности, например, для производства топлива для экологически чистых видов транспорта. Результаты исследования были опубликованы в журнале Nature Communications.

Электрохимическое восстановление CO₂ представляет собой процесс, при котором углекислый газ, подвергаясь воздействию электрического тока, превращается в различные химические соединения. Это направление давно рассматривается не только как способ утилизации углекислого газа, но и как способ получения ценного сырья, такого как муравьиная кислота. Этот продукт может быть использован в качестве жидкого топлива, растворителя или компонента для химической промышленности.

Однако, процесс электрохимического восстановления CO₂ сталкивается с определенными проблемами. Одной из них является побочная реакция, при которой выделяется водород, что снижает эффективность процесса. Чтобы решить эту проблему, в щелочных растворах часто добавляют ионы калия (K⁺), однако это приводит к увеличению стоимости процесса и образованию осадков, которые загрязняют установку и ухудшают ее работу. В то же время, использование кислой среды вызывает разрушение катализаторов, что также снижает эффективность процесса.

Группа исследователей, в которую входят ученые МИЭМ НИУ ВШЭ, предложила решение этих проблем с помощью нового катализатора. Основой катализатора стал оксид индия (In₂O₃), который был покрыт тонким слоем углерода. Сначала, с помощью компьютерного моделирования, ученые определили, как можно контролировать распределение ионов на поверхности катализатора. Моделирование показало, что углеродное покрытие не только защищает катализатор от разрушения, но и создает электрическое поле, которое удерживает ионы калия у поверхности катализатора. Это предотвращает образование осадков и подавляет нежелательные побочные реакции.

Чтобы проверить результаты моделирования, китайские ученые синтезировали наночастицы оксида индия и покрыли их углеродом. Затем они провели серию экспериментов в электролитном реакторе, используя сильно кислую среду и гораздо меньше калия, чем в традиционных системах. Результаты показали, что катализатор сохраняет свою активность более 100 часов, при этом эффективность превращения CO₂ в муравьиную кислоту составила 98,9%.

Как отметил доцент МИЭМ НИУ ВШЭ Лю Дунюй, «нам удалось показать, что можно отказаться от избытка калия, который усложняет эксплуатацию системы. Такой подход сделал процесс дешевле, а катализатор — более стабильным». Это открытие может значительно упростить технологию переработки углекислого газа, делая ее более доступной для промышленного применения.

Дополнительные эксперименты подтвердили, что именно углеродное покрытие играет ключевую роль в защите катализатора. Без покрытия оксид индия быстро восстанавливается до металлического индия, который неэффективен в процессе электрохимического восстановления CO₂. Это еще раз подтвердило важность углеродного слоя для стабильной работы катализатора.

Новый метод значительно упрощает технологию переработки углекислого газа и делает ее более доступной для промышленности. В отличие от традиционных щелочных систем, он не требует высокой концентрации калия и исключает образование осадков, что делает процесс более экологичным и экономически выгодным. Внедрение этой технологии в реальные установки может повысить эффективность переработки углекислого газа и содействовать развитию экологически чистых технологий.

Как подчеркнул профессор МИЭМ НИУ ВШЭ Андрей Васенко, «мы сделали процесс более устойчивым и удобным для масштабирования, а значит, приблизили электрохимическое восстановление углекислого газа к применению на реальном производстве. Эта технология может быть полезна не только для синтеза муравьиной кислоты, но и для других процессов, связанных с переработкой CO₂».