Международная группа исследователей разработала потенциально чистый и дешевый способ конверсии диоксида углерода в метанол, важное органическое соединение для производства пластиков, адгезивных материалов и растворителей, а также перспективного топлива транспортных средств.

Исследователи из Стэндфордского Университета и Технического Университета Дании скомбинировали теорию и эксперименты для обнаружения нового никель-галлиевого катализатора, который может конвертировать водород и диоксид углерода в метанол. В ходе реакции, ускоряемой новым катализатором, образуется меньшее количество побочных продуктов, чем при других известных каталитических процессах конверсии диоксида углерода и водорода в метиловый спирт.

Как отмечает руководитель исследования, Феликс Штудт (Felix Studt) отмечает, что производство метанола организовано на больших заводах, где при высоком давлении реагируют диоксид углерода, водород и моноксид углерода (последний добывают из природного газа). Штудт заявляет, что при выполнении нового проекта исследователи хотели разработать процесс получения метанола из более чистых в экологическом отношении источников таким образом, чтобы при этом образовывалось меньшее количество моноксида углерода. Как отмечают исследователи, главная цель проекта – разработка нейтрального по углероду крупномасштабного производства с использованием чистого водорода.

Исследователи разработали новый никель-галлиевый катализатор (Ni₅Ga₃), позволяющий синтезировать метиловый спирт из углекислого газа и воды. (Рисунок: © Jens Hummelshoj/SLAC

В наши дни ежегодно производится около 65 миллионов тонн метанола, который применяется для изготовления красителей, полимеров, клеящих композиций и других продуктов. На обычном производстве метанола происходит конверсия природного газа и воды в синтгаз (синтетический газ), состоящий из угарного газа, углекислого газа и водорода. На следующей стадии производства происходит конверсия синтгаза в метанол под высоким давлением в присутствии катализатора, содержащего медь, цинк и алюминия.

Штудт заявляет, что исследователи провели немалое время, изучая процесс синтеза метанола на молекулярном и промышленном уровнях. Заняло три года на полное уяснение особенностей процесса и определение активных центров медь-цинк-алюминиевого катализатора синтеза метанола.

После того, как исследователи определили особенности синтеза метанола на молекулярном уровне, они начали охоту на новый катализатор, который мог бы обеспечить синтез метанола при низких давлениях только из диоксида углерода и водорода. Вместо крупномасштабного скрининга потенциальных катализаторов в лаборатории исследователи решили найти подходящий катализатор с помощью специализированной базы данных катализаторов.

Штудт сравнил традиционный медь-цинк-алюминиевый катализатор с тысячами материалов, содержащимися в базе данных. Наиболее многообещающим кандидатом на роль нового катализатора оказалось малоизвестное соединение, известное как никель-галлий. Найдя кандидата, исследователи решили проверить его свойства с помощью эксперимента.

Исследователи из Технического Института Дании осуществили синтез твердотельного катализатора на основе никеля и галлия, после чего был проведен ряд экспериментов, цель которых была определение каталитической активности нового катализатора в получении метанола при комнатной и других температурах.

Лабораторные испытания показали, что компьютер помог исследователям сделать правильный выбор. При высоких температурах никель-галлиевый катализатор (Ni₅Ga₃) способствует образованию большего количества метанола, чем обычный медь-цинк-алюминиевый катализатор, образуя при этом, добавим, гораздо меньше моноксида углерода.