Титан - элемент простое вещество которого серебристый металл крайне устойчивый к коррозии. Лёгкий и прочный. Используется в конструкционных материалах работающих в жёстких средах. Обладает биосовместимостью, ткани организма человека могут нарастать на титан, поэтому используется для протезирования. Оксид титана - белоснежно белого цвета, используется в красках и кремах для защиты от ультрафиолетового излучения.

Электрохимическое восстановление CO2, также известное как процесс, при котором углекислый газ (CO2) подвергается химической трансформации с помощью электрической энергии, представляет собой передовую технологию в области борьбы с изменением климата. Этот метод позволяет поглощать вредные парниковые газы, выделяемые промышленностью и транспортом, и преобразовывать их в полезные вещества. Например, CO2 может быть превращен в топливо, такое как метан (CH4) или этилен (C2H4), а также в другие химикаты, которые могут использоваться в различных отраслях. Однако, несмотря на огромный потенциал, одно из главных препятствий заключается в сложности избирательного управления реакцией. Различные процессы восстановления могут вести к различным продуктам — от простых соединений с одним атомом углерода (C1, например, CO или CH4) до более сложных с двумя или более атомами углерода (C2+, такие как этанол или ацетилен). Таким образом, адаптация этих процессов для достижения конкретного желаемого результата — будь то топливо для автомобилей, сырье для пластиков или химикаты для фармацевтики — остается технически сложной задачей. Исследователи стремятся разработать методы, которые позволили бы предсказывать и контролировать исход реакции с высокой точностью, чтобы минимизировать побочные продукты и повысить эффективность.

"Мы стремимся к тому, чтобы адаптировать эту реакцию так, чтобы каждый раз точно предсказывать результат и полностью контролировать его", — объясняет Хао Ли, заслуженный профессор Института передовых исследований материалов (WPI-AIMR) при Университете Тохоку в Японии. Этот институт специализируется на междисциплинарных исследованиях в области материаловедения, и команда Ли работает над интеграцией химии, физики и инженерии для решения глобальных вызовов устойчивого развития.

Недавно группа ученых из Университета Тохоку под руководством Хао Ли провела groundbreaking исследование, которое проливает свет на механизмы контроля селективности в электрохимическом восстановлении CO2. Они обнаружили, что редкоземельный элемент европий (Eu) играет центральную роль в управлении реакцией, позволяя избирательно направлять процесс к продуктам C1 или C2+. Европий, химический элемент с атомным номером 63, редко используется в электрокатализе из-за его уникальных электронных свойств. Результаты исследования были опубликованы в престижном журнале Американского химического общества (ACS), что подчеркивает их значимость для научного сообщества.

В экспериментах исследователи интегрировали атомы европия в кристаллическую структуру оксида меди (Cu2O), формируя модифицированный катализатор Cu2O-Eu. Ключевым открытием стало то, что концентрация европия напрямую влияет на доминирующий продукт реакции. Когда концентрация Eu была низкой (например, менее 5% атомарного содержания в Cu2O), катализатор способствовал образованию продуктов C2+ с высокой эффективностью. Фарадеевская эффективность — метрика, измеряющая долю электрического тока, используемого для целевой реакции, — достигла почти 80% для C2+ продуктов. Это означает, что около 80% электроэнергии шло на создание ценных веществ, таких как этилен или ацетальдегид, вместо побочных реакций. Напротив, при более высокой концентрации Eu (скажем, свыше 10%) катализатор смещал реакцию в сторону продуктов C1, таких как метан (CH4), конечный газообразный продукт, полезный в качестве топлива.

Чтобы понять основы этого механизма, исследователи провели теоретические расчеты с использованием квантовой химии и моделей молекулярной динамики, а также провели дополнительные наблюдения in situ (в реальном времени) с помощью методов спектроскопии. Они установили, что европий действует как электронный модулятор, изменяя электронную структуру катализатора в зависимости от своей концентрации. При низких уровнях Eu ослабляются определенные химические связи в промежуточном продукте реакции, известном как *CHO (гидрокарбонильный радикал, связанный с катализатором). Это ослабление препятствует полному гидрированию (добавлению атомов водорода), позволяя двум углеродным радикалам связаться между собой (соединение C-C), что приводит к образованию более сложных C2+ молекул. В контрасте, при высоких концентрациях Eu эти же связи укрепляются, способствуя глубокому гидрированию *CHO в CH4 по пути C1, где углерод полностью насыщается водородом и образует простой одноатомный продукт.

В своем заключении работа ученых устанавливает четкий механизм переключения между продуктами C1 и C2+ в процессе электрохимического восстановления CO2. Европий используется как электронный модулятор в катализаторах на основе Cu2O, что позволяет регулировать реакцию через обратимую окислительно-восстановительную пару Eu3+/Eu2+. Эта пара характеризуется легкостью перехода между зарядными состояниями, влияя на промежуточный *CHO. Исследование демонстрирует, как даже небольшие изменения в электронной структуре катализатора могут избирательно направлять реакцию либо к связыванию C-C (для C2+), либо к глубокому гидрированию (для CH4). Это открывает путь к точному контролю над продуктами, минимизируя непроизводительные потери и повышая общую эффективность процесса.

Кроме того, исследование представляет собой новую концепцию дизайна катализаторов для получения желаемых углеродных продуктов из CO2. Комбинация меди (Cu2O) и редкоземельных элементов, таких как европий, обещает эволюцию в области зеленой химии. Этот подход не только улучшает селективность, но и делает процесс более устойчивым, поскольку использует возобновляемые источники энергии, такие как солнечные панели или ветер, для генерации электричества.

В более широком контексте, такой точный контроль над преобразованием CO2 в топливо и химикаты способствует развитию электрифицированных производств. Это означает переход от традиционных методов, основанных на ископаемом топливе, к новым технологиям, где CO2 служит сырьем для высокоценных продуктов, таких как полимеры, фармацевтические препараты или даже биотопливо. В долгосрочной перспективе подобные инновации могут привести к производству химикатов с нулевым углеродным следом, более эффективному использованию возобновляемой энергии (например, производство "зеленого" водорода или электроэнергии из гелиоэнергетики) и значительному сокращению глобальных выбросов парниковых газов. Это исследование не только углубляет наше понимание катализа, но и подчеркивает роль интердисциплинарных подходов в решении экологических вызовов, потенциально ускоряя переход к углеродно-нейтральной экономике.

Скандий - элемент простое вещество которого серый металл с зеленовато-жёлтым отливом. Лёгкий, но при этом прочный и тугоплавкий, из-за чего используется в авиатехнике и космонавтике. Применяется для производства твердотельных лазеров, а оксиды придают люминесцентным лампам "дневной" свет. Скандий - 44 является нестабильным, при разрушении образует позитроны, поэтому используется для позитронно-эмиссионной томографии.

Кальций - элемент входящий в состав мрамора, известняка, мела и гипса. Оксид кальция - негашёная известь применяется как осушитель, при взаимодействии с водой превращается в гашёную известь - гидроксид кальция. В живых организмах кальция много в скелете и мышцах позвоночных, раковинах моллюсков и простейших, а также его соединения придают блеск рыбьей чешуе. Простое вещество - серебристо белый активный металл, горит насыщенным оранжевым цветом.

Исследователи из университета Макмастера разработали новый способ преобразования отработанного растительного масла в полиэфиры — устойчивую альтернативу полиэтилену. Эти материалы не только экологичны и легко перерабатываются, но и обладают повышенной прочностью и эластичностью. Кроме того, они могут служить основой для сверхпрочного клея, способного выдержать даже вес автомобиля. Публикация в журнале ACS Sustainable Chemistry & Engineering подчеркивает потенциал биомассы для создания circular economy в производстве пластмасс.

Пластмассы традиционно производят из сырой нефти и побочных продуктов нефтепереработки, но группа химиков решила проверить, можно ли использовать отходы пищевой промышленности в качестве сырья для создания полезных полимеров. Результатом стал успешный синтез химически перерабатываемых полиэфиров из отработанного растительного масла (Waste Cooking Oil, WCO) — альтернативы полиэтилену (PE) на ископаемом топливе. Исследование, опубликованное в журнале American Chemical Society, также привело к разработке мощного клея, который выдержал испытание весом четырехдверного седана, подняв его на небольшой холм.

Полиэтилен — самый распространенный пластик в мире благодаря своей высокой устойчивости к разложению, что делает его идеальным для упаковки, труб и контейнеров. Однако эта прочность становится проблемой для окружающей среды: пластиковые изделия не разлагаются и плохо поддаются переработке, загрязняя свалки и океаны, включая Большой Тихоокеанский мусорный полигон. Многие попытки создать замену полиэтилену провалились из-за его невысокой стоимости и превосходных эксплуатационных свойств. Альтернатива должна быть дешевой, экологичной, прочной, универсальной и долговечной.

Отработанное растительное масло оказалось привлекательным сырьем: ежегодно в мире производят около 3,7 миллиарда галлонов этого вещества, и оно представляет собой богатый источник ненасыщенных жирных кислот. В эксперименте ученые сначала преобразовали эти кислоты в длинноцепочечный диэфир C19 с помощью палладиевого катализатора, затем восстановили его до диола. Глицерин из масла превратили в разветвленные 1,3-диолы. Полимеризация этих блоков привела к созданию серии полиэфиров (P1–P7), имитирующих свойства полиэтилена низкой плотности, иногда даже превзошедшего его в эластичности и прочности.

В отличие от фоссильного полиэтилена, новые полиэфиры легко расщепляются, перерабатываются, смешиваются с другими пластмассами и рециклируются в мягких условиях. Разветвленные диолы также обеспечивают высокую адгезию к различным поверхностям, превзойдя коммерческие клеи. Например, клей на основе этих полимеров прочно скрепил листы нержавеющей стали, выдержав вес автомобиля.

Авторы исследования подчеркивают, что результаты демонстрируют потенциал отходов растительного масла как сырья для устойчивых пластмасс. Это увеличивает возможности circular economy, где отходы преобразуются в ценные материалы, способствуя развитию биомассы для экологичных инноваций.

Ссылка на источник: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.5c16685