Новый катализатор на основе палладия и аморфного InGaZnOx (a-IGZO) достиг селективности более 91% при преобразовании углекислого газа в метанол
Исследователи из Японии сообщают, что новый катализатор на основе палладия и аморфного InGaZnOx (a-IGZO) достиг селективности более 91% при преобразовании углекислого газа в метанол.
В отличие от традиционных катализаторов
В отличие от традиционных катализаторов, эта система использует электронные свойства полупроводников для генерации всех компонентов, необходимых для реакции преобразования. Это исследование демонстрирует новые принципы проектирования для устойчивого катализа, основанные на инженерии электронной структуры.
Глобальный переход к углеродной нейтральности
Глобальный переход к углеродной нейтральности зависит от нашей способности не только улавливать углекислый газ (CO2), но и преобразовывать его в ценные ресурсы. Одним из наиболее перспективных направлений является преобразование CO2 в метанол (CH3OH), ключевой компонент химической промышленности и потенциальный носитель чистой энергии в экономике, основанной на водороде.
Традиционные катализаторы
Традиционные катализаторы для преобразования CO2 в CH3OH, такие как системы на основе оксида меди-цинка, страдают от низкой селективности. Они склонны к образованию нежелательного монооксида углерода (CO) в качестве побочного продукта, что снижает выход CH3OH и подрывает эффективность и экологические преимущества.
Исследование профессора Хидео Хосоно
В недавнем исследовании группа учёных под руководством профессора Хидео Хосоно из Исследовательского центра стратегии элементов MDX при Институте науки Токио (Science Tokyo), Япония, представляет новый подход к преодолению существующих ограничений. Их выводы, опубликованные в Journal of the American Chemical Society, показывают, как оксидные полупроводники n-типа могут быть преобразованы в высокоэффективные катализаторы для преобразования CO2 в CH3OH.
Ключевые механизмы
Исследователи сосредоточились на аморфных оксидах на основе индия, в частности на a-InGaZnOx (a-IGZO), который широко используется в качестве полупроводника для управления пикселями в дисплейных технологиях. Они синтезировали мелкодисперсные порошки этих оксидов для максимизации их площади поверхности — решающего фактора для каталитической активности.
Затем команда оценила каталитические характеристики синтезированных материалов как независимо, так и при загрузке наночастицами палладия (Pd). Ключевой прорыв произошёл благодаря пониманию того, как электронная структура этих полупроводниковых катализаторов управляет желаемой реакцией преобразования.
Высокая селективность
Благодаря этим механизмам катализатор на основе Pd-загруженного a-IGZO достиг селективности более 91% для производства CH3OH — заметное улучшение по сравнению с традиционными системами. «Наша работа показывает, что реализация биполярного состояния (H+ и H−) гидрона является ключом к эффективному и высокоселективному синтезу метанола из CO2, а принцип проектирования катализатора заключается в выборе оксидных полупроводников n-типа с минимумом зоны проводимости, близким к универсальному уровню заряда водорода (UHCTL), и высокой концентрацией носителей», — говорит Хосоно.
Сдвиг парадигмы
Предложенный подход на основе полупроводников может ознаменовать сдвиг парадигмы в дизайне катализаторов, перейдя от традиционных стратегий, ориентированных на химию поверхности, к новым, основанным на электронной структуре. «Наши результаты не только демонстрируют эффективность использования электронов, дырок, частиц водорода и их динамики внутри полупроводников для гидрирования CO2, но и предлагают новые рекомендации по проектированию химических устройств, таких как катализаторы и батареи», — заключает Хосоно.
Эти результаты, как мы надеемся, ускорят разработку более эффективных технологий улавливания и использования углерода.
Предоставлено Институтом науки Токио