Разработка и создание высокоэнтропийных материалов для электрокаталитического восстановления СО2

Электрокаталитическое восстановление CO2 и последующее селективное преобразование CO в углеводороды потенциально способно в значительной степени нейтрализовать выбросы CO2, создав производство топлива и химикатов на основе углерода, и, таким образом, уменьшить парниковый эффект, вызванный чрезмерными выбросами CO2. Однако одной из основных проблем практического применения реакции восстановления CO2 (CO2RR) является отсутствие катализатора на основе металла с высокой активностью, стабильностью и селективностью для превращения CO2 в CO и впоследствии в углеводородные продукты, такие как муравьиная кислота (HCOOH, C1), метан (CH4), метанол (CH3OH) и уксусную кислоту (CH3COOH, C2). Электрохимические СО2RR, результатом которых являются продукты с одним атомом углерода, достаточно хорошо изучены, особенно это справедливо для восстановления СО2 до монооксида углерода. Однако если говорить о восстановлении до продуктов с более чем одним атомом углерода (C2H4, C2H5OH, CH3COOH, n-C3H7OH и т.д.) - в периодической таблице только медь (Cu) является металлом, способным эффективно катализировать процесс превращения CO2. Поскольку такие продукты имеют более высокую ценность и энергоемкость, широкое внимание уделяется уникальным каталитическим свойствам поверхности Cu. Как теоретические, так и экспериментальные работы демонстрируют, что низкая скорость взаимодействия С-С на поверхности чистой меди препятствует промышленному производству многоуглеродных продуктов. Поэтому, для улучшения каталитических характеристик катализаторов, содержащих медь, использовались различные подходы к созданию высокоэффективных катализаторов. Однако ограниченные активность и селективность из-за образования водорода в значительных количествах остаются основными проблемами, которые необходимо решить для создания промышленного металлического катализатора для CO2RR. Целью этого проекта является разработка новых катализаторов на основе высокоэнтропийных материалов (ВЭМ) для процесса электрохимического восстановления CO2 с получением органических соединений. Особое внимание будет уделено оптимизации состава ВЭМ катализаторов для CO2RR путем параллельного и взаимоувязанного экспериментального исследования, моделирования посредством алгоритмов CALPHAD и моделирования посредством машинного обучения. Будут разработаны оптимизированные модели для построения взаимосвязи состава ВЭМ и электрокаталитических характеристик, а также оптимизации высокоэффективных катализаторов для различных реакций превращения диоксида углерода. Полученные таким образом результаты, несомненно, будут представлять значительный интерес для прорыва в области материалов для практической реализации прорывных энергетических технологий. Научная новизна данной работы в целом может быть резюмирована следующим образом: В этом проекте впервые будут синтезированы новые многокомпонентные наноматериалы (наночастицы и нанопористые материалы), такие как ВЭИМ и ВЭO, а также нанокомпозиты и гибридные материалы на основе ВЭМ. Затем синтезированные наноматериалы будут оцениваться как катализаторы по отношению к гетерогенному электровосстановлению CO2 до ценных продуктов C1 и C2. Будут разработаны новые модели машинного обучения для прогнозирования химического состава и каталитической селективности по отношению к конкретным продуктам. В целом данный проект поможет создать методологию целенаправленного подбора каталитических систем для электрокаталитического CO2RR, что в конечном итоге позволит создать дешевую, высокоэффективную каталитическую систему и способ её настройки под конкретные применения, который значительно повысит эффективность каталитического процесса и расширить его применение в различных отраслях промышленности.