Исследователи из U of T Engineering и C altech разработали новую улучшенную систему для эффективного преобразования CO2, воды и возобновляемых источников энергии в этилен - предшественник широкого спектра пластмассовых изделий, от медицинских приборов до синтетических тканей - в нейтральных условиях. Устройство может предложить углеродно-нейтральный путь к широко используемому химическому веществу, одновременно улучшая хранение углеродных отходов и избыток возобновляемой энергии.
«CO2 имеет низкую экономическую ценность, что снижает стимулы к его улавливанию до того, как он попадет в атмосферу», - говорит профессор Тед Сарджент, руководитель отдела U of T Engineering по проект.«Преобразование его в этилен, один из наиболее широко используемых промышленных химикатов в мире, меняет экономику. Возобновляемый этилен позволяет заменить ископаемое топливо, которое в настоящее время является основным сырьем для этого химиката».
В прошлом году Сарджент и его команда опубликовали в журнале Science статью, описывающую, как они использовали электролизер - устройство, использующее электричество для запуска химической реакции - для преобразования CO2 в этилен с рекордной эффективностью. В этой системе три реагента, газ CO2, вода и электричество, объединяются на поверхности катализатора на основе меди.
Хотя это устройство стало прорывом для команды, его еще можно было улучшить. Последняя версия, описанная в статье, опубликованной сегодня в журнале Nature, дополнительно модифицирует катализатор, чтобы повысить производительность системы и снизить ее эксплуатационные расходы.
Одна из проблем, связанных с этой реакцией, заключается в том, что, хотя некоторое количество CO2 превращается в этилен, большая его часть превращается в побочные продукты, особенно в карбонат, который растворяется на жидкостной стороне электролизера», - говорит научный сотрудник Фэнван Ли, ведущий автор новой статьи.«Эта нежелательная потеря увеличивает стоимость последующего разделения и очистки продукта».
В последней работе команда Сарджента сотрудничала с профессорами химии Калифорнийского технологического института Джонасом С. Питерсом и Теодором Агапи. Их опубликованные исследования класса молекул, известных как арилпиридинии, показали, что добавление их к катализатору может способствовать производству этилена по сравнению с другими побочными продуктами.
Используя теоретические расчеты и эксперименты, две команды просеяли более дюжины различных видов арилпиридиний, прежде чем выбрать один. Действительно, добавление тонкого слоя этой молекулы на поверхность медного катализатора значительно повысило селективность реакции по этилену. Это также привело к другому преимуществу: снижению рН рабочей реакции с основного до нейтрального.
«Предыдущая система требовала, чтобы водная сторона реакции находилась при высоком pH, в очень простых условиях», - говорит Ли. «Но реакция CO2 с едким натром в воде снижает pH, поэтому нам пришлось бы постоянно добавлять химикаты, чтобы поддерживать pH на высоком уровне. Новая система так же хорошо работает и в нейтральных условиях, поэтому мы можем устранить эти дополнительные затраты, а также потери CO2 в виде карбоната.
Улучшенный катализатор также работал дольше, чем предыдущая версия, оставаясь стабильным в течение почти 200 часов работы. Еще одно усовершенствование - увеличение площади поверхности катализатора в пять раз - дало командам представление о проблемах, которые необходимо будет решить, чтобы увеличить производство до промышленного уровня.
Хотя до коммерциализации прототипа еще далеко, общая концепция предлагает многообещающий способ решения нескольких ключевых проблем в области устойчивого развития. Это устраняет необходимость добывать больше нефти для производства пластмасс и других потребительских товаров на основе этилена и превращает отходы CO2 в сырье, добавляя новый стимул для инвестиций в улавливание углерода.
Ли также отмечает, что такая система может питаться от прерывистых возобновляемых источников, таких как энергия ветра или солнца. В настоящее время часто наблюдается несоответствие между объемом электроэнергии, вырабатываемой этими системами, и потребительским спросом. Сохраняя избыточное электричество в виде этилена, система предлагает способ сгладить эти пики и спады.
Что хорошего в этой системе преобразования CO2 в этилен, так это то, что вам не нужно выбирать между улавливанием и переработкой CO2выбросов по сравнению с попыткой предотвратить их появление, в первую очередь, путем замены использованного ископаемого топлива», - говорит Ли. «Мы можем делать и то, и другое одновременно».