Вчені знайшли спосіб перетворювати CO₂ на метан за допомогою нікелю

Щодня в атмосферу потрапляють тонни вуглекислого газу, але що якби його можна було перетворювати за допомогою чистої енергії? Це питання досліджували вчені з Міланського політехнічного університету в роботі, яка була представлена на обкладинці журналу ACS Catalysis. Дослідження зосереджується на процесі перетворення вуглекислого газу та водню на метан за допомогою спеціально розроблених наночастинок нікелю.

Дослідження під назвою «Розшифровка впливу розміру та форми на структурну чутливість реакції метанування CO₂ на нікелі» провели Габріеле Спано, Маттео Феррі, Раффаеле Чеула, Маттео Монаї, Берт Векхойзен та Маттео Маестрі. Вони вивчали, як розмір і форма наночастинок нікелю впливають на швидкість перетворення вуглекислого газу на метан.

Дослідники з Лабораторії каталізу та каталітичних процесів Департаменту енергетики Міланського політехнічного університету вирішують ключову кліматичну проблему: повторне використання CO₂ для виробництва стійких видів палива. Лабораторія є міжнародно визнаним лідером у сфері гетерогенного каталізу, розробляючи практичні рішення для чистішої енергетики.

Поєднуючи атомістичне моделювання з експериментальними даними, команда продемонструвала, що розмір і форма наночастинок нікелю відіграють вирішальну роль у прискоренні реакції метанування. Це розуміння вирішує давню наукову дискусію та відкриває нові можливості для оптимізації інших промислових процесів, таких як синтез аміаку та процес Фішера-Тропша.

Провідний автор дослідження та аспірант Департаменту енергетики Міланського політехнічного університету Спано зазначив: «Розуміння ролі форми та розміру наночастинок дозволяє нам розробляти більш ефективні каталізатори. Це життєво важливий крок у ставленні до CO₂ як до ресурсу, а не як до відходів, які потрібно пом'якшувати».

Повний професор Департаменту енергетики Міланського політехнічного університету та координатор лабораторії Маестрі сказав: «Ця робота показує, що поєднання експериментальних доказів з передовим моделюванням може вирішувати складні реальні виклики. Застосовані методології є результатом багаторічної розробки атомістичного аналізу каталітичних систем».

Процес метанування CO₂ є одним із найперспективніших способів перетворення парникового газу на корисне паливо. Реакція відбувається за участю каталізатора, який прискорює хімічне перетворення вуглекислого газу та водню на метан і воду. Нікель довгий час використовується як каталізатор для цієї реакції через свою відносну доступність та ефективність.

Однак до цього дослідження залишалося незрозумілим, як саме структурні характеристики наночастинок нікелю впливають на ефективність процесу. Вчені з Мілана використали комбінацію теоретичного моделювання та експериментальних методів, щоб розкрити цю таємницю.

Дослідники створили наночастинки нікелю різних розмірів і форм, а потім вивчили їхню каталітичну активність у реакції метанування CO₂. Вони виявили, що менші наночастинки з більшою кількістю активних центрів на поверхні демонструють вищу каталітичну активність. Крім того, форма наночастинок також відіграє важливу роль — частинки з певними кристалографічними гранями виявилися більш ефективними.

Атомістичне моделювання дозволило вченим зрозуміти механізм реакції на молекулярному рівні. Вони змогли визначити, які саме атоми нікелю на поверхні наночастинок є найбільш активними та як їхнє розташування впливає на швидкість реакції.

Результати дослідження мають важливе практичне значення для розробки промислових каталізаторів. Розуміння того, як контролювати розмір і форму наночастинок нікелю, дозволить створювати більш ефективні каталітичні системи для перетворення CO₂.

Це дослідження також має значення для інших каталітичних процесів. Принципи, виявлені для реакції метанування CO₂, можуть бути застосовані для оптимізації синтезу аміаку, який є основою для виробництва добрив, та процесу Фішера-Тропша, який використовується для перетворення синтез-газу на рідкі вуглеводні.

Перетворення CO₂ на корисні продукти є ключовою технологією для досягнення вуглецевої нейтральності. Замість того, щоб просто зберігати або утилізувати вуглекислий газ, його можна використовувати як сировину для виробництва палива та хімічних речовин. Це створює замкнутий цикл вуглецю, де CO₂ не накопичується в атмосфері, а постійно циркулює між різними формами.

Метан, отриманий з CO₂, може використовуватися як паливо для опалення, виробництва електроенергії або як сировина для хімічної промисловості. Якщо водень для реакції виробляється за допомогою відновлюваних джерел енергії, весь процес стає вуглецево-нейтральним.

Дослідження надає цінні рекомендації для розробки каталітичних матеріалів, орієнтованих на перетворення CO₂, роблячи значний внесок в енергетичний перехід. Методи, розроблені міланськими вченими, можуть бути застосовані для створення нових каталізаторів з покращеними характеристиками.

Робота також демонструє важливість міждисциплінарного підходу в сучасній науці. Поєднання теоретичного моделювання з експериментальними дослідженнями дозволяє отримувати більш глибоке розуміння складних процесів та розробляти ефективніші технологічні рішення.

Результати цього дослідження відкривають нові можливості для розвитку технологій перетворення CO₂ та сприяють створенню більш стійкої енергетичної системи майбутнього.