Углекислый газ (CO2) является соединением со стабильной молекулой, которая имеет слабую химическую активность. Для того, чтобы сделать углекислый газ сырьем для производства синтетического топлива требуется расщепить молекулу и получить молекулу угарного газа (CO), достаточно активного химического вещества, которое можно использовать для получения метана, метанола или других видов альтернативного топлива. Исследования, произведенные различными группами ученых, показали, что катализаторы на основе золотой фольги могут использоваться для расщепления молекул углекислого газа, но они являются крайне малоэффективными. Помимо этого золотой катализатор воздействует и на молекулы воды, что приводит к появлению нежелательных побочных водородосодержащих соединений. Ученым из университета Брауна (Brown University) удалось успешно решить проблему, создав высокоэффективный катализатор на основе золотых нанчастиц строго определенных размеров и формы.

Производя исследования работы золотых катализаторов, ученые обнаружили, что ключевую роль в каталитических процессах играют роль не атомы золота, располагающиеся на плоской поверхности материала, а атомы золота, являющиеся краями острых граней материала. Кроме этого, огромную роль в выборочном действии катализатора играла длина граней. Дальнейшие исследования привели ученых к созданию многогранных золотых наночастиц, размер которых составлял точно 8 нанометров. Катализатор с такими наночастицами показал 90-процентный уровень расщепления молекул углекислого газа на атом кислорода и молекулу угарного газа. Точный размер наночастицы играет огромную роль, ученые проверили эффективность работы золотых наночастиц, размерами четыре, шесть и десять нанометров, но ни один из этих размеров не приблизился к показателям эффективности 8-нанометровых наночастиц.

«Полученные нами первые результаты полностью нас запутали» — рассказывает Эндрю Петерсон (Andrew Peterson), профессор университета Брауна и участник данных исследований, — «Когда мы начали делать наночастицы меньшего размера, мы получили скачкообразное увеличение эффективности катализатора. Но, стоило нам пройти отметку в восемь нанометров, как эффективность снова стала снижаться». Для объяснения наблюдаемых явлений учеными была разработана целая теория, которая позволила рассчитать влияние формы и размеров наночастиц на каталитические свойства определенного вида химических превращений.

Теперь, когда ученые начали точно понимать зависимость активности и селективности действия катализатора от формы и размеров его активных областей, стало возможным рассчитать форму частиц золотого катализатора, который будет обеспечивать максимальную эффективность строго определенных видов химических превращений. «В нашей технологии существует еще множество мест для ее совершенствования» — рассказывает Петерсон, — «Сейчас мы разрабатываем новые формы наночастиц, которые будут выступать активными и эффективными катализаторами не только для расщепления углекислого газа, но и для других реакций, в который будет задействован углекислый газ и которые могут использоваться в производстве искусственного топлива».

«Разработанный нами катализатор, состоит не полностью из золота, а только содержит золотые наночастицы на своей поверхности, что позволяет существенно уменьшить стоимость катализатора, использующего его промышленного оборудования и, естественно, конечного продукта» — рассказывает Петерсон, — «А после небольших доработок нашей каталитической технологии уже можно будет начинать задумываться о ее внедрении, что позволит перерабатывать углекислый газ во что-нибудь полезное в промышленных масштабах».