Учёные из МИЭМ НИУ ВШЭ совместно с коллегами из Китая разработали новый катализатор, который позволяет эффективнее преобразовывать углекислый газ в муравьиную кислоту. Ключевой особенностью технологии стало углеродное покрытие на основе оксида индия (In₂O₃), обеспечивающее стабильную работу катализатора в кислой среде даже при минимальном содержании калия. Ранее считалось, что для такой реакции необходимы большие концентрации калия, что делает процесс дорогим и технически сложным для промышленного применения. Новый подход позволяет сократить расходы и расширить возможности переработки CO₂, в том числе для получения топлива для экологичного транспорта.

Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications. Электрохимическое восстановление CO₂ — это процесс, при котором под действием электрического тока углекислый газ превращается в полезные химические соединения, например муравьиную кислоту, востребованную в качестве жидкого топлива, растворителя и сырья для химической промышленности.

Традиционный подход к электрохимическому восстановлению CO₂ сталкивается с проблемой: побочная реакция приводит к выделению водорода, что снижает выход целевого продукта. В щелочных растворах для подавления этой реакции обычно используют большое количество ионов калия, но это увеличивает затраты и способствует образованию осадков, ухудшающих работу оборудования. Применение кислой среды, наоборот, быстро разрушает катализаторы.

Исследовательская группа МИЭМ и китайские коллеги предложили решение — катализатор на основе In₂O₃ с тонким углеродным слоем. Компьютерное моделирование показало, что углеродная оболочка не только защищает катализатор от разрушения, но и создает электрическое поле, удерживающее ионы калия у поверхности, предотвращая их выпадение в осадок и минимизируя побочные реакции.

В ходе экспериментов китайские учёные синтезировали наночастицы оксида индия с углеродным покрытием и протестировали их в электролитном реакторе с кислой средой и малым количеством калия. Катализатор показал стабильную работу более 100 часов, а эффективность превращения CO₂ в муравьиную кислоту достигла 98,9%.

Лю Дунюй, доцент МИЭМ НИУ ВШЭ, отметил, что новая технология позволяет отказаться от избытка калия, упростить эксплуатацию реактора и одновременно повысить стабильность катализатора. Дополнительные испытания подтвердили, что именно углеродное покрытие защищает оксид индия от разрушения: без него материал быстро превращается в металлический индий, значительно менее эффективный в данной реакции.

Предложенный метод делает процесс переработки CO₂ проще и дешевле, а также пригоднее для масштабирования и промышленного применения. В отличие от традиционных систем, он не требует высоких концентраций калия и предотвращает образование осадков. Как подчеркнул профессор МИЭМ НИУ ВШЭ Андрей Васенко, новая технология не только способствует синтезу муравьиной кислоты, но и может применяться для других процессов переработки углекислого газа, приближая их к реальному промышленному использованию.