Достижения в лазерных технологиях открывают новые возможности для более чистого топлива и энергии

Ученые разработали лазерную технологию, которая может открыть возможности для экологически чистых топливно-энергетических технологий в будущем.

Нам срочно необходимы экологически чистые и устойчивые способы замены ископаемого топлива, нефти и природного газа. Углекислый газ (CO2) — это обильный отход, образующийся в результате всей деятельности и источников, зависящих от ископаемого топлива. Ежегодно в атмосферу нашей планеты выбрасывается около 35 миллиардов метрических тонн углекислого газа в качестве отходов от электростанций, транспортных средств и промышленных предприятий по всему миру. Для смягчения воздействия CO2 на глобальный климат этот отработанный CO2 можно было бы преобразовать в полезную энергию, например, в оксид углерода и другие энергоемкие источники. Например, при реакции с водой CO2 образует богатый энергией водород, а при реакции с водородом — полезные химические вещества, такие как углеводороды или спирты. Такие продукты можно использовать для различных целей, причем в глобальном промышленном масштабе.

Электрокатализаторы - это катализаторы, которые принимают участие в электрохимических реакциях, когда химическая реакция имеет место, но при этом также задействована электроэнергия. Например, правильный катализатор может помочь в реакции водорода и кислорода с образованием воды контролируемым образом, иначе это будет просто случайная смесь двух газов. Или даже производить электричество путем сжигания водорода и кислорода. Электрокатализаторы изменяют или увеличивают скорость химических реакций, но сами они не расходуются в реакции. В контексте с CO2 электрокатализаторы считаются актуальными и многообещающими с точки зрения достижения «ступенчатого изменения» эффективности при желаемом сокращении выбросов CO2.

К сожалению, точный механизм работы этих электрокатализаторов до конца не изучен, и остается серьезной проблемой различать слои короткоживущих промежуточных молекул с «шумом» неактивных молекул в растворе. Такое ограниченное понимание механизма создает трудности при любых возможных изменениях конструкции электрокатализаторов.

Ученые из Ливерпульского университета (Великобритания) продемонстрировали метод лазерной спектроскопии для электрохимического восстановления диоксида углерода in situ в своем исследовании, опубликованном в журнале Nature Catalysis . Они впервые использовали спектроскопию суммарной частоты колебаний (VSFG) в сочетании с электрохимическими экспериментами для изучения катализатора (Mn(bpy)(CO)3Br), который рассматривается как перспективный электрокатализатор для восстановления CO2. Впервые было изучено поведение важных промежуточных соединений, присутствующих в каталитическом цикле реакции в течение очень короткого промежутка времени. Технология VSFG позволяет отслеживать поведение и движение даже чрезвычайно короткоживущих частиц в каталитическом цикле и, следовательно, помогает нам понять, как работают электрокатализаторы. Таким образом, становится понятным точное поведение электрокатализаторов в химической реакции.

Это исследование позволяет получить представление о некоторых сложных химических процессах и может дать возможность создавать новые конструкции электрокатализаторов. Исследователи уже изучают способы повышения чувствительности этого метода и разрабатывают новую систему обнаружения для улучшения соотношения сигнал/шум. Такой подход может открыть новые возможности для эффективного использования экологически чистого топлива и расширить потенциал чистой энергии . В конечном итоге, для достижения большей эффективности на коммерческом уровне, такой процесс необходимо масштабировать в промышленности. Для обработки больших объемов CO2, образующихся на электростанциях, работающих на ископаемом топливе, потребуется прогресс в промышленности.

Источник (ы)

Нери Г. и др. 2018. Обнаружение каталитических промежуточных продуктов на поверхности электрода в процессе восстановления диоксида углерода с помощью распространенного в земной коре катализатора. Nature Catalysis . https://doi.org/10.17638/datacat.liverpool.ac.uk/533