Для этого ученые создали специальные алюминиевые наночастицы диаметром от 50 до 150 нанометров

Материаловеды разработали наночастицы, с помощью которых углекислый газ (CO2) можно превращать в угарный газ (CO) даже при комнатной температуре. Благодаря этому углекислый газ можно использовать в качестве сырья для производства сложных органических соединений. Статью с описанием разработки опубликовал научный журнал Nature Materials.

"Молекулы CO2 могут расщепляться на угарный газ не только при 700 °С, но и при комнатной температуре. Эту реакцию можно вызывать как с помощью потока электронов, так облучая светом наши частицы. При установке подобных систем на трубы заводов или электростанций это более рационально", - рассказал один из авторов исследования, материаловед из Национального института стандартов и технологий США Цаньхуэй Ван.

Химики уже много десятилетий хотят придумать технологию по превращению атмосферного углекислого газа в биотопливо и другие полезные вещества. Этому мешает то, что молекулы CO2 с химической точки зрения необычно устойчивы. Чтобы их расщепить, нужно очень много энергии. Эта особенность углекислого газа мешает не только человеку, но и всем живым существам, лишь немногие из которых - например, растения и цианобактерии - научились относительно эффективно расщеплять CO2.

Человечество сделало первые шаги в этом направлении только в последние годы - благодаря созданию новых наноматериалов и катализаторов, которые используют для расщепления углекислоты, например, свет Солнца. К примеру, три года назад физики из США создали солнечную батарею, которая напрямую использует энергию света для расщепления СО2 и производства угарного газа и водорода, а также превращения углекислоты в спирт.

Почти для всех существующих катализаторов и методик превращения СО2 в другие вещества нужно много энергии: например, для нагрева углекислый газ до больших температур. Из-за этого подобные системы невыгодны для коммерческой утилизации выбросов промышленных предприятий и электростанций.

Дешевый расщепитель углекислоты

Американские химики решили эту проблему. В ходе новой работы они экспериментировали с различными металлическими наночастицами, которые могут вырабатывать так называемые локализованные поверхностные плазмоны. Так ученые называют коллективные колебания электронов на поверхности наночастиц, которые возникают благодаря их взаимодействиям со световыми волнами.

Из-за подобных колебаний возникают мощные электрические поля, с помощью которых энергию света можно преобразовать в другие типы волн, а также использовать ее для других целей, в том числе ускорения различных химических реакций. В частности, уже существуют катализаторы на базе поверхностных плазмонов, которые могут расщеплять аммиак и присоединять атомы кислорода к различным углеводородам.

Ван и его коллеги проверили, могут ли плазмоны ускорить расщепление углекислого газа. Для этого ученые создали алюминиевые наночастицы разных размеров и облучали их пучком электронов. Экспериментаторы хотели понять, как это повлияет на поведение молекул углекислого раза в окрестностях этих наночастиц.

Оказалось, что наночастицы, которые могут взаимодействовать с дальним ультрафиолетовым излучением, теоретически могут участвовать в подобных реакциях. С одной стороны, они могут заставлять молекулы CO2 соединяться с чистым углеродом и формировать угарный газ (CO), а с другой - помогать формированию чистого углерода из молекул CO.

Руководствуясь этими соображениями, материаловеды подготовили экспериментальный прототип расщепителя CO2 и заполнили его наночастицами алюминия диаметром от 50 до 150 нм и порошком из графита. Дальнейшие опыты показали, что подобный катализатор действительно ускорял расщепление углекислого газа в угарный. В пользу этого говорило то, что масса графитового слоя уменьшается, а концентрация CO в воздухе растет.

В ближайшее время ученые планируют провести более масштабные эксперименты. Они хотят измерить эффективность работы наночастиц, а также проверить, будут ли они схожим образом взаимодействовать с лучами настоящего света. Эти опыты покажут, можно ли применять такую технологию для очистки выхлопов промышленных предприятий от парниковых газов.