Катализатор Ноттингемского университета одновременно преобразует CO₂ и биологические отходы с эффективностью 93% и 95%

Репортаж от Wedoany，Исследователи из Ноттингемского университета (University of Nottingham) разработали каталитический материал на солнечной энергии, способный одновременно восстанавливать углекислый газ и окислять органические отходы под действием одного фотона, производя ценные химические вещества в обеих реакциях. Результаты опубликованы в журнале Communications Materials издательской группы Nature.

Данный безсмещенный фотоэлектрохимический (ФЭХ) реактор состоит из двух соединённых отсеков, каждый из которых содержит недавно разработанный катализатор. При освещении одного из отсеков солнечным светом каждый фотон запускает окисление молекулы биологических отходов, при этом высвобождающиеся электроны переносятся во второй отсек, где восстанавливают углекислый газ (CO₂) до формиата. Весь процесс из энергии одного фотона производит два полезных продукта: химическое вещество из парникового газа, широко используемое в текстильной, лакокрасочной и фармацевтической промышленности, и предшественник из биологических отходов, пригодный для создания биопластиков нового поколения.

Доктор Масами Тангамуту (Madasamy Thangamuthu), научный сотрудник химического факультета Ноттингемского университета, разработавший ФЭХ-реактор и катализатор, пояснил, что в основе процесса лежит наноструктурированный фотоанод из полупроводников нитрида углерода и оксида вольфрама, покрытый слоем оксида кобальта и соединённый с катодом во втором отсеке. Когда фотон солнечного света попадает на фотоанод, процесс запускается: генерируется электрон, который передаётся на катод для восстановления CO₂, а оставшаяся дырка на фотоаноде одновременно окисляет молекулу 5-гидроксиметил-2-фуранкарбоновой кислоты (HMFA).

Тесты показали, что данный ФЭХ-реактор достигает эффективности около 93% при преобразовании CO₂ в формиат и около 95% при окислении биомассы, демонстрируя высокую эффективность использования энергии фотонов. Поскольку преобразование осуществляется исключительно за счёт солнечной энергии без дополнительного тепла или электричества, этот метод открывает новый путь к устойчивому производству химических веществ.

Доктор Винченцо Тареско (Vincenzo Taresco), доцент химического факультета, отметил, что устойчивое производство полимеров является одной из ключевых современных задач. Несмотря на быстрый прогресс в химии материалов, требуются новые стратегии для эффективного проведения реакций. Чистый процесс с использованием солнечного света гарантирует, что устойчивая энергия будет способствовать устойчивой химии.

Разработанные командой Ноттингемского университета катализаторы отличаются от многих существующих, которые зависят от дорогих или редких материалов. Эти новые катализаторы изготовлены из распространённых на Земле элементов, что делает их более пригодными для масштабного применения. Оценка жизненного цикла дополнительно подтвердила экологические преимущества процесса, подчеркнув его потенциал в производстве низкоуглеродных химикатов. В будущем данная каталитическая система может быть масштабирована для промышленного использования.

Доктор Джесум Алвес Фернандес (Jesum Alves Fernandes), доцент химического факультета и эксперт по гетерогенному катализу, считает, что метод изготовления катализатора имеет решающее значение для будущего успеха этой технологии. Уникальный подход команды к сборке металлических атомов на поверхности — с контролем размера, формы и состава — является ключевым для расширения этой работы на другие химические процессы и дальнейшего усиления использования CO₂. Ранее эта команда уже сообщала о сборке катализаторов из отдельных атомов на поверхности для создания высокоэффективных катализаторов производства водорода и преобразования CO₂ в метанол.

Исследователи полагают, что этот метод может быть дополнительно развит и интегрирован с промышленными источниками CO₂ и биоперерабатывающими заводами для обеспечения распределённого и устойчивого производства химикатов. Профессор наноматериалов химического факультета Андрей Хлобостов (Andrei Khlobystov) отметил, что это открытие открывает новые возможности для прямого улавливания солнечного света с одновременным решением двух глобальных проблем.

Данная работа поддержана проектом программы EPSRC «Металлические атомы на поверхностях и границах раздела для устойчивого будущего (MASI)» и представляет собой важный шаг вперёд в снижении зависимости производства водорода от дорогих металлов, внося вклад в циклическую и низкоуглеродную экономику.

Данный материал скомпилирован платформой Wedoany. При цитировании материалов, созданных с помощью искусственного интеллекта (ИИ), необходимо обязательно указывать источник — «Wedoany». В случае выявления нарушения прав или иных проблем просим своевременно информировать нас. Сайт оперативно внесёт изменения или удалит материал.Электронная почта: news@wedoany.com