Учёные создали фотокатализатор для получения метана из углекислого газа на солнечном свету

Совместная исследовательская группа разработала высокоэффективный фотокатализатор, способный преобразовывать углекислый газ в ценное топливо — метан — под действием солнечного света, и объяснила принципы его работы. Исследование опубликовано в журнале ACS Catalysis.

Графическая иллюстрация. Автор: ACS Catalysis (2025). DOI: 10.1021/acscatal.5c05258

Новая технология для борьбы с изменением климата

Углекислый газ является типичным парниковым газом, который считается одной из основных причин изменения климата. Разработка технологий для его эффективного сокращения — важная общемировая задача.

Фотокатализаторная технология, привлёкшая интерес учёных, представляет собой разновидность искусственного фотосинтеза, использующую солнечную энергию для превращения CO₂ в топливо. Она привлекает значительное внимание своим потенциалом для достижения углеродной нейтральности и производства экологически чистой энергии.

Инновационные материалы и повышенная эффективность

Исследовательская группа под руководством профессора Суил Ина из Департамента энергетических наук и инженерии DGIST в сотрудничестве с командой профессора Уильяма А. Годдарда III из Калифорнийского технологического института (Caltech) объединила сульфид серебра (Ag₂S), хорошо поглощающий видимый и ближний инфракрасный свет, с диоксидом титана (TiO₂) — широко используемым фотокаталитическим материалом. Они создали новую структуру, позволяющую электронам эффективно перемещаться по Z-схеме, каналу, аналогичному природному фотосинтезу, что значительно повысило эффективность использования световой энергии.

Предыдущие исследования имели ограничения, так как материалы слишком долго оставались в обычном кристаллическом состоянии и в них не хватало активных центров, где углекислый газ мог бы вступать в реакцию.

Прорыв в дизайне катализатора и результаты

Совместная группа DGIST-Caltech намеренно внедрила дефекты в материал, создав множество активных центров трёхвалентного титана (Ti³⁺) с использованием аморфного диоксида титана с нерегулярной структурой. Они также применили нестехиометрические нанопроволоки сульфида серебра, спроектированные так, чтобы иметь несбалансированное атомное соотношение для формирования сильного внутреннего электрического поля. Это позволило резко улучшить разделение зарядов и эффективность реакции.

В результате новый фотокатализатор достиг скорости производства метана 30,31 мкмоль/г в условиях концентрирующего реактора, что примерно в пять раз выше, чем в обычных условиях. Это исследование имеет большое значение, поскольку научно доказывает, что дефекты — это не просто структурные ограничения, но могут быть ключевым фактором повышения производительности катализатора.

«Это исследование значимо, поскольку указывает на возможность проектирования и контроля «активных центров», определяющих эффективность катализатора. Это будет способствовать ускорению коммерциализации технологии преобразования углекислого газа в ценное топливо», — заявил профессор Суил Ин.

Он также отметил, что значительным достижением является и то, что в ходе работы был выяснен процесс превращения CO₂ в метан на атомном уровне благодаря сочетанию экспериментальных исследований и квантово-механических расчётов.

Больше информации: Niket S. Powar et al, Defect-Driven Dynamics in Gas-Phase Photocatalytic CO₂ Conversion to Solar Fuels Using Ti³⁺/Ti⁴⁺Containing TiO₂and Nonstoichiometric Ag₂S Nanowires, ACS Catalysis (2025). DOI: 10.1021/acscatal.5c05258

Источник: Daegu Gyeongbuk Institute of Science and Technology

ИИ: Это исследование — яркий пример того, как фундаментальная наука о материалах может предложить практические решения для глобальных проблем. В 2025 году, когда поиск устойчивых способов утилизации CO₂ и производства «зелёного» топлива становится всё более актуальным, подобные разработки открывают путь к реальным технологиям замкнутого цикла.