Недавно изобретенный катализатор значительно повышает эффективность превращения CO2 в топливо

Природе потребовались десятилетия фотосинтеза, а затем эоны интенсивного тепла и давления геологической активности, чтобы превратить атмосферный углекислый газ в длинные углеводородные цепочки, из которых состоит ископаемое топливо.

Мы не располагаем роскошью миллионов лет, чтобы избавиться от избытка углерода в нашей атмосфере, но достижения в области химии могут помочь нам пройти часть этого пути за относительно короткий промежуток времени.

Последнее достижение - новый катализатор, способный производить короткоцепочечные молекулы углерода из углекислого газа со скоростью, превосходящей предыдущие методы.

Технология, разработанная инженерами-химиками Стэнфордского университета, превращает отработанный CO2 и хорошую дозу водорода в цепочки этана, пропана и даже бутана - молекулы, которые могут служить источником топлива.

"По сути, мы можем создать бензин", - говорит Маттео Каргнелло, инженер-химик из Стэнфордского университета.

В последние годы не было недостатка в попытках найти экономичные способы извлечения углерода из воздуха и превращения его в то, за что люди захотят платить, например, в топливо или синтетические материалы, такие как пластик.

Задача состоит в том, чтобы сделать что-то такое, что позволит сократить смехотворное количество углерода, которое мы ежегодно выбрасываем в атмосферу. Это означает быстрый процесс, который можно дешево масштабировать, заперев как можно больше углерода в каждой молекуле. 

"Чтобы захватить как можно больше углерода, вам нужны углеводороды с самой длинной цепью. Цепочки с 8-12 атомами углерода были бы идеальным вариантом", - говорит Каргнелло.

Нынешние технологии с трудом приближаются к этой цели. Чем длиннее цепь, тем больше тепла и давления требуется, что делает процесс менее эффективным и более дорогим.

Каргнелло и его команда сосредоточили свои исследования на органических полимерах - материалах с порами, которые можно легко масштабировать, чтобы создать структуру, необходимую для максимальной реакционной способности углекислого газа и водорода в цепи.

В сочетании с эффективным каталитическим металлом, ускоряющим процесс (в данном случае элемент рутений в сочетании с оксидом титана), исследователи могли повысить эффективность путем моделирования структуры пор полимера.

И они улучшили ее, продемонстрировав 10-кратное увеличение оборота высокомолекулярных углеродных цепей.

Примечательно, что скорость производства бутана с четырьмя углеродными цепочками увеличилась в 1000 раз, если покрыть катализатор особым видом пористого органического полимера.

"Катализатор без покрытия покрывается слишком большим количеством водорода на своей поверхности, что ограничивает способность углерода находить другие углероды для соединения с ними", - говорит инженер-химик Ченгшуан Чжоу, докторант в лаборатории Каргнелло.

"Пористый полимер контролирует соотношение углерода и водорода и позволяет нам создавать более длинные углеродные цепи в результате одних и тех же реакций".

В идеале, любой углерод, который мы можем извлечь из атмосферы, должен быть заперт навсегда. Углеродно-нейтральное топливо может помочь решить экономическую проблему, связанную с тем, чтобы заставить такую технологию окупить себя, за счет простого создания оборотных средств для атмосферного углерода.

Шаг к производству большего количества бутана, который с меньшей вероятностью быстро испарится в газ при комнатной температуре и просочится в атмосферу, как более мелкие цепи, является значительным.

Тем не менее, при дальнейших исследованиях этот вид химического процесса может привести к получению более стабильных форм углеводорода, которые могут быть включены в более стойкие структуры, которые мы хотели бы надежно хранить.

Конечно, решение природы вырывать углерод и упаковывать его в биологические материалы всегда будет приоритетом номер один. Нет ничего лучше, чем запереть CO2 в виде растений.

Но если это поможет нам избавиться от зависимости от ископаемого топлива раньше, чем позже, то это решение заслуживает внимания.

Данное исследование было опубликовано в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.