В последние годы ученые активно разрабатывают методики, позволяющие превращать биомассу в метанол, этиловый спирт и некоторые другие органические соединения. Эти соединения можно использовать в качестве биотоплива или исходного сырья для получения других ценных веществ. В частности, метанол является основным источником водорода в современной химической промышленности. Как правило, водород извлекается из спирта путем разложения его молекул на синтез газ — смесь из угарного газа и водорода.
Группа химиков под руководством Эдмана Цанга (Edman Tsang) из Оксфордского университета (Великобритания) сделала этот процесс более дружелюбным к окружающей среде, создав новый вид катализатора на основе наночастиц меди и пленки из цинка и оксида галлия.
Как объясняют ученые, водород в классической реакции его синтеза получают в результате взаимодействия метанола и паров воды в реакторе, прогретом до температуры в 1,5 тысячи градусов Цельсия. Взаимодействующие молекулы воды и спирта разлагаются на углекислый газ (СО2) и три молекулы водорода (Н2).
Часть водорода практически мгновенно вступает в реакцию с углекислотой, в результате чего возникает молекула воды и угарного газа. В тех случаях, когда для проведения реакции используется катализатор, молекулы СО соединяются с ним и ухудшают его свойства. Данный факт вынуждает инженеров разрабатывать сложные системы очистки газа, что увеличивает стоимость водорода и затрудняет миниатюризацию реакторов для использования.
Цанг и его коллеги предположили, что эту проблему можно решить при помощи катализатора, который сделает реакцию угарного газа и воды невыгодной с энергетической точки зрения. По словам химиков, на роль такого катализатора хорошо подходят соединения меди, которые часто применяются для обратной реакции — синтеза метанола из углекислоты и водорода.
Руководствуясь этой идеей, ученые разработали несколько прототипов катализаторов на основе наночастиц меди, «приклеенных» к тонким пленкам из оксидов цинка, алюминия и некоторых других металлов. Авторы статьи проверили их в деле, наблюдая за химическим составом газа, исходящего из реакционной камеры.
Лучше всего себя проявил катализатор на основе наночастиц меди, соединенных с пленкой из цинка и оксида галлия. В ходе эксперимента это соединение превратило практически весь метанол в водород и углекислый газ при довольно низкой температуре — 150 градусов Цельсия. По словам ученых, им не удалось найти следов угарного газа в смеси углекислоты и водорода, что говорит об его отсутствии или крайне незначительной концентрации в продукте реакции.
Как отмечают химики, простота катализатора и достаточно «мягкие» условия реакции позволяют использовать его в качестве основы для портативных и компактных расщепителей метанола.
К примеру, подобный реактор можно установить на борт автомобиля и использовать в качестве источника водорода для топливных элементов. В отличие от традиционных катализаторов, водород в такой ячейке не будет нуждаться в очистке от угарного газа, и его утечка не приведет к смерти водителя и пассажиров.