Золото – это важный и широко используемый в промышленности металл. В течение 2017 года для технологических приложений было использовано 333 тонны золота, что на 3% больше по сравнению с 2016 годом.
Сектор электроники является доминирующим источником этого спроса, но благодаря недавним технологическим достижениям были открыты новые способы использования желтого металла.
Золото в форме наночастиц может приобрести особое значение в контексте уменьшения последствий изменения климата, поскольку у этой формы есть серьезный потенциал в ряде применений, которые могут привести к сокращению выбросов парниковых газов.
Катализация ради более чистого будущего
Катализ имеет большое значение для «зеленой химии» - химических продуктов и процессов, которые уменьшают или устраняют негативное воздействие опасных веществ на окружающую среду. Одна из самых захватывающих новых технологий в использовании катализаторов связана с улавливанием и конверсией углерода.
Несмотря на свою важность, катализ активно не изучается и не разрабатывается в современной науке и технике.
Производство практически всех промышленных химикатов зависит от катализаторов. Драгоценные металлы обычно используются в химическом катализе. Из них получаются превосходные катализаторы, потому что они химически «податливы», то есть, взаимодействуют с исходными материалами и растворителями внутри химической реакции, будучи относительно выносливыми по отношению к температуре и давлению. Это придает им прочность, что является фундаментальной характеристикой эффективного катализатора.
Драгоценные металлы на данный момент широко используются в каталитических конвертерах для автомобилей, удаляя большое количество загрязняющих веществ, образующихся в дизельных и бензиновых двигателях. Эти конвертеры могут эффективно работать в течение многих лет в суровых условиях выхлопной системы автомобиля. В течение последних 40 лет исследований и разработок было выяснено, что только драгоценные металлы показывают хорошие результаты в течение продолжительного периода времени.
Наличие эффективных катализаторов становится все более важным фактором в новой области науки и техники, занимающейся улавливанием и превращением углерода. Согласно недавним исследованиям «McKinsey», улавливание и превращение углерода может сократить объем ежегодных выбросов парниковых газов на целый миллиард метрических тонн к 2030 году, при условии, что будут успешно и быстро разработаны несколько ключевых технологий.
Возможность превращения углекислого газа в полезные виды топлива в значительной степени зависит от реакции электрохимического восстановления углекислого газа. Недавно были проведены масштабные исследования с целью разработки новых катализаторов, которые могут избирательно и эффективно превращать углекислый газ в топливо в течение сотен часов. Одна из самых многообещающих разработок основана на золоте. Недавнее изобретение золотых наноструктурированных катализаторов учеными из Университета Торонто представляет собой значительный прогресс в этой области, а также создает возможность для избирательного и эффективного превращения углекислого газа в окись углерода, что является предпосылкой для синтетического топлива.
Наноструктурированный золотой катализатор имеет форму иглы толщиной всего в несколько микрон. Когда он снабжается электрическим потенциалом, золотой катализатор в форме наноиглы превращает углекислый газ в окись углерода с высокой эффективностью и избирательностью. Полученный монооксид углерода можно соединить с газообразным водородом для создания синтетического газа, являющегося основой для многих видов топлива, например, бензина.
Национальная энергетическая технологическая лаборатория правительства США также активно участвует в поиск передовых «чистых» катализаторов. Ученые разработали специальную форму катализаторов из наночастиц, состоящую из 25 атомом золота, которая показала значительный потенциал в процессе сокращения выбросов углекислого газа. По мнению ученых, возобновляемые источники энергии, такие как ветер и солнечная энергия, могут в будущем обеспечивать функционирование больших заводов по переработке углекислого газа.
Многие начинающие компании хотят коммерциализировать эти технологии. Для этого они присоединяются к уже существующим компаниям, таким как «Siemens» и «Evonik», которые недавно доказали возможность крупномасштабной конверсии углекислого газа в спирты. Значительное количество групп ученых и новых компаний также участвовали в конкурсе «NRG COSIA Carbon XPrize» с призом на сумму 20 млн. долларов тому, кто создаст технологию для улавливания и переработки углекислого газа в безопасные полезные продукты. Наноструктурированные катализаторы, впервые созданные «Sargent Lab» в Университете Торонто, попали в финал этого конкурса, где они смогут увеличить свою эффективность с лабораторных условий (несколько миллиграмм в час) до микро-пилотного блока, способного создавать сотни килограмм в день.
В то время как существует ряд других катализаторов, имеющиеся данные свидетельствуют о том, что золото является лучшим в своем классе для высокоактивного и селективного перемещения углеродного газа в монооксид углерода.
Новое поколение топливных элементов
Топливный элемент производит электроэнергию посредством химической реакции без необходимости горения. Электричество создается за счет объединения водорода и кислорода; любопытно, что единственным продуктом этой реакции является вода.
Как в случае с реакцией по уменьшению углекислого газа, для снижения количества энергии, необходимого для синтеза воды необходим эффективный материал катализатора, относительно стабильный химический элемент.
Катализаторы в топливных элементах обычно содержат платину, но недавние исследования показали, что существенные улучшения могут быть достигнуты за счет включения в их состав золотых наноматериалов. Топливным элементам необходим чистый поток водорода для эффективной работы, а значит, катализатор должен выдерживать низкие температуры. В недавнем исследовании, опубликованном в ведущем журнале «Science», речь идет о том, что нанокластеры золота можно использовать для эффективного удаления небольших количеств углекислого газа из потока водорода. Это важно, поскольку углекислый газ действует как яд, снижая эффективность реакции топливных элементов. В исследовании говорится, что катализатор на основе золотых наночастиц является одним из первых материалов, найденных для выполнения этой функции, и что он очень перспективен для ряда важных приложений для промышленности.
