Китайские химики создали катализатор, который втрое эффективнее промышленных аналогов превращает углекислый газ в метанол. Новая разработка позволяет обойти фундаментальное ограничение, которое долгое время мешало повысить производительность этого процесса.
Синтез метанола из CO2 считается перспективным способом утилизации углерода, но технология сталкивается с проблемой. При низких температурах реакция идёт слишком медленно, так как молекулы углекислого газа трудно активировать. Повышение температуры ускоряет основной процесс, но одновременно запускает побочную реакцию, из-за которой образуются нежелательные продукты и падает итоговый выход метанола. Этот компромисс между скоростью реакции и её избирательностью тормозил развитие технологии.
Группа учёных под руководством профессоров Цзянь Суня и Цзяфэн Юя из Даляньского института химической физики (Китайская академия наук) нашла решение этой проблемы. Они разработали катализатор со сложной структурой, в котором участки, отвечающие за разные этапы реакции, разнесены в пространстве. Это позволяет избежать побочных процессов и повысить эффективность синтеза. Результаты исследования опубликованы в журнале Chem.
В новом катализаторе молекулы CO2 активируются преимущественно на участках из диоксида циркония (ZrO2), что способствует синтезу именно метанола. В отличие от традиционных катализаторов на основе меди, где сначала разрывается химическая связь в молекуле CO2 и лишь затем происходит её гидрирование (присоединение водорода), здесь последовательность обратная. Сначала на циркониевых центрах идёт гидрирование, и только потом разрывается углерод-кислородная связь. При этом медные участки катализатора так же эффективно расщепляют молекулы водорода для реакции.
Такой механизм значительно снижает образование побочного угарного газа. В результате производительность нового катализатора при температуре 300 °C и давлении 3 МПа достигает 1,2 грамма метанола на грамм катализатора в час – это примерно втрое выше, чем у распространённых коммерческих аналогов. «Наше исследование может предложить новый подход к решению давней проблемы компромисса между активностью и селективностью в синтезе метанола из CO2», – отметил профессор Сунь.
