ნახშირორჟანგის (CO2) მეთანოლად გარდაქმნა ნახშირბადის რესურსების რეციკლირების ერთ-ერთ ყველაზე პერსპექტიულ გზად მიიჩნევა. თუმცა, მეცნიერები წლების განმავლობაში შეჯახებულნი იყვნენ რთულ გამოწვევას, რომელიც ამ პროცესის ეფექტურობას ზღუდავდა.

დაბალ ტემპერატურაზე CO2-ის მეთანოლად გარდაქმნა თერმოდინამიკურად ხელსაყრელია, მაგრამ ამ პირობებში ნახშირორჟანგის აქტივაცია რთულდება, რაც კატალიზატორის მუშაობას ასუსტებს. ტემპერატურის მომატება რეაქციას აჩქარებს, თუმცა ამავდროულად იწვევს ე.წ. „უკუ წყალ-გაზური ძვრის“ რეაქციას. ეს უკანასკნელი წარმოქმნის არასასურველ თანმხლებ პროდუქტებს და ამცირებს მეთანოლის სელექციურობას.

ახალი კატალიზატორის დიზაინი

დალიანის ქიმიური ფიზიკის ინსტიტუტის (DICP) მკვლევრებმა, პროფესორ ჯიან სუნისა და პროფესორ ჯიაფენგ იუს ხელმძღვანელობით, შეიმუშავეს კატალიზატორის ახალი დიზაინი, რომელიც ამ ტექნოლოგიურ ჩიხს ხსნის. კვლევა ჟურნალ Chem-ში გამოქვეყნდა.

მათი მიდგომა ეფუძნება ლითონისა და დამხმარე სტრუქტურის ძლიერ ურთიერთქმედებას (SMSI). ეს სტრუქტურა კატალიზატორში აქტიურ წერტილებს სივრცულად აცალკევებს. შედეგად, რეაქციის სხვადასხვა ეტაპი სხვადასხვა ადგილას მიმდინარეობს, რაც მეთანოლის წარმოების ეფექტურობას მნიშვნელოვნად ზრდის.

კატალიზატორის ზედაპირის რესტრუქტურიზაციამ და რეაგენტების ადსორბციის მექანიზმის შეცვლამ მკვლევრებს საშუალება მისცა მიეღწიათ 1.2 გ·გკატ-1·სთ-1 სივრცულ-დროითი გამოსავლიანობისთვის, 300 გრადუს ცელსიუსსა და 3 მპა წნევაზე. ეს მაჩვენებელი დაახლოებით სამჯერ აღემატება ტრადიციული კომერციული Cu/Zn/Al კატალიზატორების მონაცემებს.

რეაქციის ახალი მექანიზმი

მკვლევრებმა დაადგინეს, რომ ახალი კატალიზატორი ხელს უწყობს CO2-ის ადსორბციას და აქტივაციას ძირითადად ცირკონიუმის დიოქსიდის (ZrO2) წერტილებში. ეს პროცესს მეთანოლის წარმოებისკენ, ფორმატული გზით მიმართავს.

ტრადიციულ სპილენძზე დაფუძნებულ კატალიზატორებში აქტივაცია ჩვეულებრივ იწყება C=O ბმის გაწყვეტით, ჰიდროგენიზაციამდე. ახალი სტრატეგია კი განსხვავებულ თანმიმდევრობას მიჰყვება: წყალბადით დამუშავება ZrO2-ის წერტილებზე პირველად ხდება, ხოლო C=O ბმის გაწყვეტა — შემდგომ.

მეცნიერების განცხადებით, რეაქციის მექანიზმის ამგვარი ცვლილება საგრძნობლად ამცირებს ნახშირბადის მონოქსიდის (CO) თანმხლები პროდუქტების წარმოქმნას, ამასთან ინარჩუნებს სპილენძის წერტილების მაღალ უნარს, ეფექტურად დაშალოს H2. ეს მიღწევა ხსნის ათწლეულების განმავლობაში არსებულ წინააღმდეგობას კატალიზურ აქტივობასა და სელექციურობას შორის.