Новый катализатор может превращать углекислый газ в бензин в 1000 раз эффективнее

Инженеры, работающие над предотвращением распространения парниковых газов, знают, что в дополнение к сокращению выбросов углекислого газа нам также необходимо удалять углекислый газ из выхлопных газов электростанций или из неба.

Но что нам делать со всем этим захваченным углеродом?

Маттео Карньелло, инженер-химик из Стэнфордского университета, работает над тем, чтобы превратить его в другие полезные химические вещества, такие как пропан, бутан или другое углеводородное топливо, состоящее из длинных цепочек углерода и водорода.

«В принципе, мы можем создать бензин», — сказал Карньелло, доцент кафедры химического машиностроения.

«Чтобы улавливать как можно больше углерода, вам нужны углеводороды с самой длинной цепью. Цепи с 8-12 атомами углерода были бы идеальными».

Новый катализатор, изобретенный Карньелло и его коллегами, приближается к этой цели, увеличивая образование длинноцепочечных углеводородов в химических реакциях.

Он произвел в 1000 раз больше бутана — самого длинного углеводорода, который он мог произвести при максимальном давлении, — чем стандартный катализатор при том же количестве углекислого газа, водорода, катализатора, давления, тепла и времени.

Новый катализатор состоит из элемента рутения — редкого переходного металла платиновой группы, покрытого тонким слоем пластика.

Как и любой катализатор, это изобретение ускоряет химические реакции, не изнашиваясь в процессе. Рутений также имеет то преимущество, что он дешевле других высококачественных катализаторов, таких как палладий и платина.

Карньелло и его команда описывают катализатор и результаты своих экспериментов в своей последней статье, опубликованной на этой неделе в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Заминка на семь лет

Карньелло и его команде потребовалось семь лет, чтобы открыть и усовершенствовать новый катализатор. Загвоздка: чем длиннее углеводородная цепь, тем сложнее ее производить.

Связывание углерода с углеродом требует тепла и большого давления, что делает процесс дорогостоящим и энергоемким.

В этом отношении способность нового катализатора производить бензин из реакции является прорывом, сказал Карньелло. Реактору в его лаборатории потребуется только более высокое давление, чтобы произвести все углеводороды с длинной цепью для бензина, и они находятся в процессе строительства реактора более высокого давления.

Бензин является жидким при комнатной температуре, и поэтому с ним гораздо проще обращаться, чем с его газообразными короткоцепочечными братьями и сестрами — метаном, этаном и пропаном, которые трудно хранить и склонны к утечке обратно в небо.

Карньелло и другие исследователи, работающие над получением жидкого топлива из захваченного углерода, представляют себе углеродно-нейтральный цикл, в котором углекислый газ собирается, превращается в топливо, снова сжигается, а образующийся углекислый газ начинает цикл заново.

Совершенствование полимера

Ключом к заметному увеличению реактивности является слой пористого пластика на рутении, объяснил ведущий автор исследования Ченгшуан Чжоу, докторант лаборатории Карньелло, который провел поиск и эксперименты, необходимые для усовершенствования нового покрытия.

Катализатор без покрытия прекрасно работает, сказал он, но производит только метан, углеводород с самой короткой цепью, в котором всего один атом углерода связан с четырьмя атомами водорода. Это вообще не цепь.

«Катализатор без покрытия покрывается слишком большим количеством водорода на своей поверхности, что ограничивает способность углерода находить другие атомы углерода для связи», — сказал Чжоу.

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

Это особенно важное взаимодействие было продемонстрировано с использованием синхротронных технологий в Национальной лаборатории SLAC в сотрудничестве с командой доктора Саймона Бэра, который руководит там Co-Access».

Каргнелло признает, что хотя углеводороды с длинной цепью представляют собой инновационное использование уловленного углерода, они не идеальны.

Он также работает над другими катализаторами и аналогичными процессами, которые превращают углекислый газ в ценные промышленные химические вещества, такие как олефины, используемые для производства пластмасс, метанол и святой Грааль, этанол, которые могут улавливать углерод, не возвращая углекислый газ в небо.

«Если мы сможем сделать олефины из CO2 для изготовления пластмасс, — отметил Карньелло, — мы изолируем его в твердое вещество, которое можно долго хранить. Это было бы большим делом».

Автор Эндрю Майерс.