«Вакансии» кислорода и магний помогли наночастицам превратить углекислый газ в метанол

Совместное исследование российских, индийских и нигерийских химиков помогло лучше понять процесс восстановления углекислого газа на катализаторах из оксида титана с добавлением магния. Оказалось, что присутствие магния помогает молекулам CO2 прикрепляться к наночастицам, поэтому они эффективней восстанавливаются. Результаты исследования опубликованы в журнале Catalysis Science & Technology. Ученые во всем мире ищут эффективные способы переработки излишков углекислого газа. Один из перспективных путей — восстановление его с помощью солнечного света на полупроводниковых катализаторах. Под действием энергии света в полупроводниках происходит разделение зарядов — образуются свободные электроны, которые затем восстанавливают растворенные в воде молекулы углекислого газа. Чаще всего такие катализаторы делают из наночастиц оксида титана TiO2, а недавно выяснилось, что добавление небольшого количества магния может заметно увеличить их эффективность. Авторы нового исследования более подробно разобрались в механизме работы таких катализаторов. Они синтезировали наночастицы TiO2 с добавлением магния. Делалось это стандартным способом: спиртовые растворы бутоксида титана и нитрата магния смешивались и обрабатывались ультразвуком при температуре в 70 градусов Цельсия. Меняя количество нитрата магния, ученые получили наночастицы с разным его содержанием, что позволило дифференцировано сравнить и их каталитическую активность. Основным продуктом во всех случаях был метанол, также образовывались метан, водород (из воды) и угарный газ. Самыми «эффективными» оказались наночастицы со средним содержанием магния (один атом на тридцать атомов титана), дальнейшее увеличение его количества снижало каталитическую активность. Теоретические расчеты показывают, что магний чаще всего находится на поверхности наночастиц. Так как заряд магния меньше, чем у титана (не +4, а +2), то для сохранения нейтрального заряда частицы один из ближайших к магнию ионов кислорода покидает решетку — ученые называют это «вакансия» кислорода. Именно эта «вакансия» в дальнейшем служит местом прикрепления углекислого газа или его водных форм — карбоната и гидрокарбоната. И по расчетам ученых здесь у молекул больше шансов встретиться с поверхностными электронами и восстановиться. Также выяснилось, что слишком прочная связь между молекулами и катализатором снижает эффективность — после восстановления молекула должна быстро «открепиться» и освободить место для других молекул, однако прочное крепление этому мешает. Возможно, что именно из-за этого частицы с самым высоким содержанием магния были менее эффективными Фотокатализ — химические превращения с помощью энергии солнечного света — одна из самых перспективных областей химии и физики. Например, о получении водорода фоторазложением воды можно почитать в другом материале «Чердака».