Канадські та китайські хіміки розробили ефективний метод отримання етиленоксиду з вуглекислого газу. Як розповідають вчені в, модифікований електрокаталізатор на основі оксидів іридію і барію дозволив підвищити вихід за струмом реакції окислення етилену до 90 відсотків.
На багатьох хімічних виробництвах одним з відходів виявляється парниковий вуглекислий газ. Зокрема, при виробництві етиленоксиду - цінного органічного вихідника - на тонну продукту виділяється близько тонни вуглекислого газу (якщо враховувати тільки фінальну стадію виробництва - окислення етилену в етиленоксид). У зв'язку з цим хіміки шукають способи переводити CO2 назад в корисні хімічні сполуки.
Наприклад, група вчених під керівництвом Едварда Саргента (Edward H. Sargent) з Університету Торонто вирішила спробувати оптимізувати умови синтезу етиленоксиду так, щоб в результаті реакції вуглекислий газ не виділявся, а поглинався. Такі процеси вже були відомі: у них вуглекислий газ електрохімічно відновлювався до етилену, який потім окислявся хлорнуватистою кислотою (вона також генерується електрохімічно) до етиленоксиду. При цьому максимально досягнутий вихід за струмом для них не перевищував навіть 10 відсотків. Це було пов'язано з тим, що на електрокаталізаторах, покликаних збільшити швидкість і ефективність реакції, хлорнувата кислота HOCl швидко дисоцірувала на іони, нездатні реагувати з етиленом.
Щоб вирішити цю проблему, хіміки вирішили використовувати вже відомий електрокаталізатор на основі оксиду іридію, але модифікувати його оксидом барія, лантана, церія або вісмута (відомо, що вони стабільні в присутності хлору). Найбільш ефективним виявився каталізатор з тривідсотковою добавкою оксиду барію. Скануюча електронна мікроскопія його поверхні показала, що оксид барію BaO формує на поверхні оксиду іридію IrO2 наночастинки, а всі три елементи рівномірно розподілені в структурі каталізатора.
Хіміки перевірили ефективність цього каталізатора в процесі електрохімічного окислення і з'ясували, що при щільності струму в 200 міліампер на квадратний сантиметр вихід по струму досягає максимуму в 90 відсотків. Крім того, реакція протікала дуже селективно, а загальна енергоефективність осередку склала 36 відсотків, що в 2,5 рази більше аналогічного значення для вже відомих систем.
Щоб перевірити стійкість каталізатора, хіміки проводили електроліз протягом 300 годин при напрузі в 3,2 вольту. Середній вихід по струму склав 85 відсотків, а селективність - 98 відсотків. Скануюча електронна мікроскопія зразка каталізатора після електролізу показала, що його структура не змінилася, і наночастинки оксиду барію не зруйнувалися.
Далі автори вирішили, що їх процес все ще залишається занадто енерговитратним через реакцію виділення водню на катоді, що вимагає великого потенціалу (теоретичне значення - 1,36 вольта). Тому її замінили на реакцію відновлення кисню, і за рахунок цього вдалося знизити загальну напругу в комірці на 1,2 вольта. Вихід за струмом при цьому залишився на рівні 80 відсотків.
Потім, щоб протестувати свою систему, автори зібрали парний осередок для переведення вуглекислого газу в етиленоксид. У ній реакція окислення етилену і реакція відновлення вуглекислого газу протікали в двох відділах, а простір між ними заповнили водою. Так, реакції окислення і відновлення кисню протікали в одній судині на різних електродах. Необхідна напруга для роботи комірки склала 1,28 вольт, а загальний вихід за струмом для всього процесу дорівнював 35 відсоткам (щільність за струмом - 300 міліампер на квадратний сантиметр).
В результаті хімікам вдалося створити зручну і селективну систему отримання етиленоксиду з парникового вуглекислого газу. Завдяки новому каталізатору, вихід за струмом реакції окислення етилену досяг близьких до 100 відсотків значень. Система виявилася стійкою до тривалого електролізу і набагато менш енерговитратною в порівнянні з вже відомими до теперішнього часу системами, відзначають автори дослідження.
Нещодавно хіміки змогли підвищити ефективність ще однієї електрохімічної реакції. Вони з'ясували, що шпинель на основі кобальту і марганцю Co2MnO4 - ефективний електрокаталізатор виділення кисню з води.