Новая технология от U of T Engineering делает существенный шаг к тому, чтобы позволить производителям создавать пластмассы из двух ключевых ингредиентов: солнечного света и загрязнения.
Сегодня невозобновляемые ископаемые виды топлива не только обеспечивают сырье для производства пластмасс, они также являются топливом, сжигаемым для питания производственного процесса, производя углекислый газ, вызывающий потепление климата (CO2) - по оценкам Международного энергетического агентства, производство основных прекурсоров пластмасс отвечает за 1.4% глобальных выбросов CO2.
Команда под руководством профессора Университета Торонто Теда Сарджента переворачивает этот процесс с ног на голову. Они предусматривают улавливание CO2, производимого другим промышленным процессом, и использование возобновляемой электроэнергии, такой как солнечная энергия, для преобразования его в этилен. Этилен - широко распространенный промышленный химикат, который является предшественником многих пластиков, таких как те, которые используются в пакетах для продуктов.
Система решает ключевую проблему, связанную с улавливанием углерода. Хотя существует технология фильтрации и извлечения CO2 из дымовых газов, это вещество в настоящее время имеет небольшую экономическую ценность, которая может компенсировать затраты на его улавливание - это убыточное предложение. Превращая этот углерод в коммерчески ценный продукт, такой как этилен, команда стремится повысить стимулы для компаний инвестировать в технологию улавливания углерода.
В основе решения команды лежат две инновации: использование парадоксально тонкого катализатора на основе меди и переосмысленная экспериментальная стратегия.
Когда мы осуществили преобразование CO2 в этилен в очень щелочной среде, мы обнаружили, что наш катализатор улучшил как энергоэффективность, так и селективность преобразования до самого высокого уровня за всю историю записано», - сказал постдокторант доктор Цао-Тханг Динь, первый автор статьи, опубликованной сегодня в журнале Science. В этом контексте эффективность означает, что для преобразования требуется меньше электроэнергии. Затем авторы использовали эти знания для дальнейшего усовершенствования катализатора и подтолкнули реакцию к образованию этилена, а не других веществ.
Затем команда обратилась к стабильности, которая долгое время была проблемой для этого типа катализатора на основе меди. Теоретическое моделирование показывает, что основные условия, то есть высокие уровни pH, идеально подходят для катализа CO2 в этилен. Но в этих условиях большинство катализаторов и их носителей разрушаются менее чем через 10 часов.
Команда преодолела эту проблему, изменив свою экспериментальную установку. По сути, они нанесли свой катализатор на пористый слой подложки, сделанный из политетрафторэтилена (ПТФЭ, более известный как тефлон), а с другой стороны разместили катализатор с углеродом. Эта новая установка защищает носитель и катализатор от деградации из-за основного раствора и позволяет им работать в 15 раз дольше, чем предыдущие катализаторы. В качестве дополнительного бонуса эта установка еще больше повысила эффективность и селективность.
«За последние несколько десятилетий мы знали, что запуск этой реакции в базовых условиях может помочь, но никто не знал, как воспользоваться этим знанием и перенести его в практическую систему», - говорит Дин. «Мы показали, как преодолеть эту проблему».
В настоящее время их система способна выполнять преобразование в лабораторных масштабах, производя несколько граммов этилена за раз. Долгосрочная цель команды состоит в том, чтобы масштабировать технологию до уровня, при котором они смогут перерабатывать несколько тонн химикатов, необходимых для коммерческого применения.
«В этой работе мы добились сразу трех успехов: селективность, энергоэффективность и стабильность», - говорит Сарджент. «Как группа, мы сильно заинтересованы в разработке технологий, которые помогут нам решить глобальную проблему углеродно-нейтрального будущего».