Углекислый газ принято воспринимать прежде всего как парниковый газ, от которого необходимо избавляться. Но что, если вместо простого удаления CO₂ научиться превращать его обратно в полезное сырье?
Исследователи Йельского университета разработали электрохимическую систему, которая объединяет плазму и электрокатализ. Она позволяет преобразовывать углекислый газ в более сложные углеродсодержащие соединения, включая метанол и бутан. Такие вещества могут использоваться для производства топлива, растворителей, фармацевтических препаратов и химического сырья, а некоторые из получаемых соединений подходят в качестве компонентов для производства экологически более устойчивого авиационного топлива.
При этом установка работает при комнатной температуре и атмосферном давлении — без необходимости создавать экстремальные условия. Исследование опубликовано в журнале Nature Catalysis.
Почему CO₂ так трудно превратить во что-то полезное
Углекислый газ — довольно простая молекула, состоящая из одного атома углерода и двух атомов кислорода. Однако химически она очень стабильна. Чтобы заставить CO₂ вступить в реакцию и превратить его в более сложные вещества, необходимо затратить энергию.
Один из перспективных способов решения этой задачи — электрокатализ. В таком процессе электричество используется вместе с катализатором — веществом, которое ускоряет химическую реакцию, не расходуясь в ней полностью.
Проблема в том, что традиционный электрокатализ обычно позволяет получать сравнительно ограниченный набор простых углеродных соединений. А промышленности нужны более сложные молекулы — например, многоатомные спирты и углеводороды, которые можно использовать как строительные блоки для топлива и химической продукции.
Именно здесь команда Йельского университета решила подключить плазму.
Как работает плазменно-электрохимическая система
Плазмой называют четвертое состояние вещества после твердого, жидкого и газообразного. Это чрезвычайно энергичный газ, содержащий большое количество заряженных частиц и свободных электронов.
Исследователи во главе с Леа Винтер (Lea Winter), доцентом кафедры химической и экологической инженерии Йельского университета, объединили плазменную активацию CO₂ с последующим электрокатализом.
Смысл довольно изящный. Сначала высокоэнергетические электроны плазмы сталкиваются с молекулами углекислого газа. Они переводят молекулы в возбужденное состояние и ослабляют связи между атомами.
После такой предварительной «встряски» CO₂ поступает к электрокатализатору уже в более реакционноспособной форме. Катализатору становится проще перестроить эти молекулы и собрать из них новые химические соединения.
Иными словами, плазма не заменяет электрокатализ, а подготавливает для него углекислый газ. По словам Винтер, такой подход открывает химические пути, которые недоступны одному лишь электрокатализу.
Главная проблема — вода
На практике объединить плазму и электрокатализ оказалось не так просто.
Многие подобные процессы используют границу между газом и водой. Но здесь возникает нежелательный эффект: вода может нейтрализовать наиболее активные частицы, образующиеся в плазме, еще до того, как они достигнут катализатора.
Получается парадоксальная ситуация. Плазма должна активировать CO₂, однако среда, необходимая для последующей электрохимической реакции, одновременно способна погасить этот эффект.
Ученым пришлось искать способ физически разделить эти процессы, сохранив при этом возможность их взаимодействия.
Трехфазный интерфейс
Решением стала специально разработанная трехфазная граница, в которой одновременно взаимодействуют газ, жидкость и твердое вещество.
Ключевым элементом системы служит газодиффузионный электрод — пористая мембрана из материала, аналогичного тому, который применяется в антипригарных покрытиях. Часть поверхности электрода покрыта тонким слоем меди, выполняющей роль электрокатализатора.
Поры мембраны достаточно велики, чтобы активированные плазмой частицы проходили через них к медному слою. Там они встречаются с протонами из воды и вступают в дальнейшие химические реакции.
Главное преимущество конструкции заключается в том, что плазма при этом не контактирует с водой напрямую. Благодаря этому активные частицы получают возможность дойти до катализатора и принять участие в реакции, а не потерять энергию раньше времени.
От CO₂ — к топливу и химическому сырью
Полученный процесс позволил ученым добиться одних из самых высоких на сегодняшний день показателей производства ряда ценных спиртов и соединений, содержащих три и четыре атома углерода.
Зачем нужны такие вещества? Их можно использовать как основу для жидкого топлива, фармацевтических препаратов и других продуктов химической промышленности. Кроме того, получаемые соединения могут служить исходным сырьем для последующего синтеза компонентов устойчивого авиационного топлива (SAF).
Это важное отличие от идеи «сделать бензин прямо из углекислого газа». Разработка Йельской команды на данном этапе прежде всего позволяет получать химические строительные блоки, из которых затем можно производить более сложные продукты.
Таким образом, CO₂ в этой системе становится не отходом, который нужно просто удалить, а источником углерода для новой производственной цепочки.
Почему низкая температура особенно важна
Еще одна интересная особенность технологии — условия ее работы. Система функционирует при комнатной температуре и обычном атмосферном давлении.
Для промышленной химии это может иметь большое значение. Оборудование, которому не требуется постоянно поддерживать высокую температуру или экстремальное давление, потенциально проще масштабировать и эксплуатировать.
Кроме того, процесс можно включать и выключать в зависимости от доступности электричества. Исследователи отмечают, что установка способна работать непосредственно с переменной генерацией возобновляемой энергии — например, с электричеством, поступающим от солнечных и ветровых электростанций.
Это открывает интересную возможность: вместо строительства полностью нового предприятия подобную технологию потенциально можно интегрировать в уже существующий промышленный объект.
Что будет дальше
Пока технология находится на исследовательской стадии. Следующим шагом ученые собираются оптимизировать катализатор и испытать другие материалы.
Главный вопрос теперь заключается не только в том, удается ли получить нужные химические соединения, но и в том, насколько эффективно и стабильно система сможет делать это при значительно больших масштабах.
Тем не менее сама идея выглядит перспективно. В одном устройстве исследователи объединили сразу три инструмента — плазму, электричество и катализатор. Первый активирует чрезвычайно стабильный CO₂, второй обеспечивает энергией химическую реакцию, а третий направляет ее в сторону нужных продуктов.
Если технологию удастся масштабировать, углекислый газ может постепенно превратиться из конечного продукта сгорания ископаемого топлива в своеобразное промышленное сырье. Особенно интересен этот подход для отраслей, где прямое использование электричества затруднено, в том числе для производства авиационного топлива.
