Исследователи из Передового института материаловедения (WPI-AIMR) при университете Тохоку предложили новый подход к электрохимическому восстановлению углекислого газа (CO₂). Создав многослойные структуры фталоцианина кобальта (CoPc)/углерода с ядром и оболочкой, команда продемонстрировала архитектуру катализатора, которая делает преобразование CO₂ в монооксид углерода (CO) стабильным и эффективным.
Исследование опубликовано в журнале Applied Catalysis B: Environment and Energy.
В работе использовался крупномасштабный анализ данных и искусственный интеллект (ИИ) для отбора 220 молекулярных кандидатов. Фталоцианин кобальта, широко известный как синий пигмент, оказался наиболее эффективным вариантом для селективного производства CO. Это открытие стало основой для создания электродов, оптимизированных для использования CO₂.
«Мы хотели выйти за рамки традиционного мышления, согласно которому изолированные молекулы работают лучше всего, — сказал Хироши Ябу, профессор (WPI-AIMR), возглавлявший исследование. — Вместо этого наши результаты показывают, что упорядоченное расположение этих молекул в слоях даёт гораздо более сильный каталитический эффект».
Команда создала гибридную конструкцию, в которой CoPc образует кристаллические слои вокруг проводящих частиц углерода. Этот многослойный катализатор с ядром и оболочкой показал высокую плотность тока и сохранил селективность по CO выше 90% при длительной работе даже в сложных электрохимических условиях.
Центральное открытие исследования заключается в том, что улучшенные характеристики обусловлены многослойным расположением, а не отдельными молекулами. Эксперименты показали, что упорядоченное расположение способствует переносу заряда на поверхности катализатора, а теоретические расчёты подтвердили, что этот электронный эффект значительно увеличивает каталитическую активность.
«Этот проект показывает, как сочетание выбора материалов на основе данных с наномасштабным дизайном может открыть новые направления для переработки CO₂, — добавил Ябу. — Возможность систематически прогнозировать и тестировать структуры поможет нам быстрее перейти к практическому применению».
Результаты показывают, что многослойные молекулярные архитектуры могут предложить путь к более эффективным катализаторам не только для преобразования CO₂ в CO, но и для других реакций, имеющих решающее значение для производства чистой энергии.
Исследователи планируют протестировать систему в промышленных условиях и изучить, могут ли аналогичные конструкции повысить производство водорода или аммиака.
Демонстрируя, как знакомый материал, который когда-то использовался в основном в качестве пигмента, может быть переосмыслен для устойчивых технологий, работа подчёркивает роль творческого дизайна катализаторов в продвижении переработки углерода.
Исследование знаменует собой шаг к созданию практических систем, которые могут помочь снизить выбросы CO₂ при производстве топлива и полезных химических веществ.
Предоставлено университетом Тохоку.