Новый катализатор превращает углекислый газ в метанол с эффективностью 91%

Исследование предлагает новую стратегию разработки катализаторов на основе полупроводников для сложных реакций, включая преобразование CO₂ в метанол. Автор: Токийский институт науки.

Японские исследователи разработали новый катализатор на основе палладия и аморфного оксида индия-галлия-цинка (a-IGZO), который демонстрирует рекордную селективность свыше 91% при преобразовании углекислого газа в метанол.

В отличие от традиционных катализаторов, эта система использует электронные свойства полупроводников для генерации всех необходимых компонентов реакции. Исследование открывает новые принципы проектирования устойчивых катализаторов на основе инженерии электронной структуры.

Глобальная цель углеродной нейтральности требует не только улавливания CO₂, но и его преобразования в полезные ресурсы. Одним из перспективных направлений является превращение CO₂ в метанол — ключевой компонент химической промышленности и потенциальный носитель чистой энергии в водородной экономике.

Однако традиционные катализаторы на основе медь-цинковых систем страдают от низкой селективности, производя нежелательный угарный газ (CO), что снижает выход метанола и экологическую эффективность процесса.

Команда профессора Хидео Хосоно из Токийского института науки предложила инновационный подход, используя свойства полупроводниковых материалов. Их исследование, опубликованное в Journal of the American Chemical Society, показывает, как n-тип оксидных полупроводников можно превратить в высокоэффективные катализаторы.

Ключевым открытием стало понимание роли электронной структуры полупроводниковых катализаторов. В отличие от традиционных систем, a-IGZO обладает уникальными свойствами: его минимальный уровень проводимости совпадает с «универсальным уровнем перехода заряда водорода» (~4,5 эВ от вакуумного уровня). Это позволяет катализатору одновременно генерировать положительно и отрицательно заряженные частицы водорода, необходимые для многоступенчатого процесса преобразования CO₂ в CH₃OH.

Наночастицы палладия служат поставщиками водорода, расщепляя молекулы H₂ на атомарный водород (H⁰) и передавая их на поверхность полупроводника. Высокая концентрация носителей заряда в оксидных полупроводниках облегчает туннелирование H⁰ через барьер Шоттки на границе Pd/полупроводник.

«Наша работа показывает, что создание биполярного состояния (H⁺ и H⁻) гидрона является ключом к эффективному и высокоселективному синтезу метанола из CO₂», — поясняет Хосоно.

Это открытие может привести к смене парадигмы в дизайне катализаторов — от традиционных стратегий, основанных на поверхностной химии, к новым подходам, использующим электронную структуру материалов.

ИИ: Это исследование представляет значительный прорыв в области устойчивой химии. В 2025 году, когда мир активно ищет способы декарбонизации, такие технологии могут стать важным инструментом в борьбе с изменением климата.

Дополнительная информация: Kazuki Fukumoto et al, CO2 Conversion to Methanol by Hydrogen Species on n-Type Oxide Semiconductors, Journal of the American Chemical Society (2025). DOI: 10.1021/jacs.5c03910