Мировое сообщество все больше обеспокоено проблемой изменения климата и выбросов углекислого газа. В связи с этим, возрастает потребность в технологиях, позволяющих преобразовывать CO₂ в полезные ресурсы, такие как химическое топливо и соединения. Исследовательская группа доктора Дахи Парк из отдела наноматериалов Корейского института материаловедения (KIMS) в сотрудничестве с командой профессора Чон Ён Пака из химического факультета KAIST разработала технологию катализаторов, которая значительно повышает эффективность преобразования углекислого газа.
Традиционные технологии преобразования CO₂ сталкиваются с трудностями при коммерциализации из-за низкой эффективности по сравнению с высоким потреблением энергии. В частности, одноатомные катализаторы (SAC) сложны в синтезе, и им трудно поддерживать стабильную связь с металлооксидными носителями, которые имеют решающее значение для стабилизации частиц катализатора и повышения долговечности. В результате производительность этих катализаторов ограничена.
Чтобы преодолеть эти ограничения, исследовательская группа разработала технологии одно- и двухатомных катализаторов (DSAC) и внедрила упрощенный процесс для повышения эффективности катализатора. Это достижение использует электронные взаимодействия между металлами в двухатомных катализаторах (DSAC), обеспечивая более высокую скорость конверсии и превосходную селективность (способность катализатора направлять производство желаемых продуктов) по сравнению с существующими технологиями.
Эта технология включает в себя подход к проектированию катализатора, который точно контролирует кислородные вакансии и дефектные структуры в металлооксидных носителях, значительно повышая эффективность и селективность реакций преобразования углекислого газа. Кислородные вакансии облегчают адсорбцию CO₂ на поверхности катализатора, в то время как одно- и двухатомные катализаторы способствуют адсорбции водорода (H₂). Комбинированное действие кислородных вакансий, одиночных атомов и двухатомных атомов позволяет эффективно преобразовывать CO₂ с H₂ в желаемые соединения. Примечательно, что двухатомные катализаторы (DSAC) используют электронные взаимодействия между двумя атомами металла, чтобы активно регулировать путь реакции и максимизировать эффективность.
Исследовательская группа применила метод аэрозольного распыления для синтеза катализаторов с помощью упрощенного процесса, а также продемонстрировала его потенциал для массового производства. Этот процесс включает в себя преобразование жидких материалов в аэрозоли (мелкие частицы, похожие на туман) и введение их в нагретую камеру, где катализатор формируется без необходимости сложных промежуточных стадий. Этот метод обеспечивает равномерное распределение атомов металла внутри металлооксидного носителя и точный контроль дефектных структур. Точно контролируя эти дефектные структуры, команда смогла стабильно формировать одно- и двухатомные катализаторы (DSAC). Используя DSAC, они сократили использование одноатомных катализаторов примерно на 50%, достигнув при этом более чем вдвое большей эффективности преобразования CO₂ по сравнению с обычными методами и исключительно высокой селективности — более 99%.
Эта технология применима в различных областях, включая синтез химического топлива, производство водорода и экологически чистую энергетику. Кроме того, простота и высокая эффективность производства метода синтеза катализатора (аэрозольное распыление) делают его весьма перспективным для коммерциализации.
Доктор Дахи Парк, ведущий исследователь, заявляет, что эта технология представляет собой значительное достижение в резком улучшении характеристик катализаторов преобразования CO₂, обеспечивая при этом возможность коммерциализации с помощью упрощенного процесса. Ожидается, что она послужит основной технологией для достижения углеродной нейтральности. Профессор Чон Ён Пак из KAIST добавляет, что это исследование предлагает относительно простой метод синтеза нового типа одноатомного катализатора, который можно использовать в различных химических реакциях. Оно также обеспечивает важнейшую основу для разработки катализаторов разложения и утилизации CO₂, что является одной из самых неотложных областей исследований для решения проблемы глобального потепления, вызванного парниковыми газами.
Это исследование проводилось при поддержке основных проектов Корейского института материаловедения, а также при финансировании Министерства науки и ИКТ, Министерства торговли, промышленности и энергетики и Национального исследовательского совета по науке и технологиям. Результаты были опубликованы в Интернете в журнале Applied Catalysis B: Environmental and Energy, входящем в 1% лучших журналов JCR с импакт-фактором 20.3, в области катализа и энергетики.
