Группа ученых из Национального университета Сингапура (NUS) разработала прототип устройства, которое имитирует естественный фотосинтез для производства газообразного этилена с использованием только солнечного света, воды и углекислого газа. Новый метод производства этилена при комнатной температуре и давлении с использованием безвредных химикатов может быть расширен, чтобы обеспечить более экологичную и устойчивую альтернативу существующему методу производства этилена.
Эта разработка под руководством доцента Джейсона Йео Бун Сианга с кафедры химии факультета естественных наук Национального университета США и Сингапурского научно-исследовательского института солнечной энергии (SERIS) была впервые опубликована в научном журнале ACS Sustainable Chemistry & Engineering.
Проблемы текущего производства этилена
Этилен, который является структурным элементом полиэтилена, является важным химическим сырьем, производимым в больших количествах для производства пластмасс, каучука и волокон. Только в 2015 году в мире было произведено более 170 миллионов тонн этилена, а к 2020 году ожидается, что мировой спрос превысит 220 миллионов тонн.
Современное промышленное производство этилена использует паровой крекинг ископаемого топлива при температуре от 750°C до 950°C, что требует большого количества энергии и создает нагрузку на природные топливные ресурсы. Текущий метод также оставляет значительный углеродный след, выбрасывая около двух тонн углекислого газа на каждую тонну произведенного этилена. Таким образом, растет спрос на более чистый и устойчивый способ производства этилена.
Внедрение искусственного фотосинтеза
Признавая необходимость более экологичного метода, доцент Йео и его команда использовали возобновляемые источники энергии для производства этилена. В 2015 году команда впервые разработала медный катализатор, который мог генерировать этилен из легкодоступной воды и углекислого газа при питании от электричества. Этот медный катализатор впоследствии был введен в систему искусственного фотосинтеза для преобразования углекислого газа и воды в этилен с использованием только солнечной энергии. Прототип устройства, предназначенный для проведения реакции, достиг 30-процентной фарадеевской эффективности этилена в зависимости от количества электронов, генерируемых солнечной энергией. Общая энергоэффективность преобразования солнечной энергии в этилен также сравнима с уровнем энергоэффективности естественного фотосинтеза растений.
Улавливание углерода является ключевым шагом в борьбе с антропогенным изменением климата. Концентрация углекислого газа в атмосфере неуклонно растет, потому что скорость выбросов углекислого газа превышает скорость улавливания углерода. считается основной причиной глобального потепления, которое приводит к нежелательным изменениям окружающей среды. Наше устройство не только использует полностью возобновляемый источник энергии, но и преобразует углекислый газ, парниковый газ, во что-то полезное. Это потенциально может замкнуть углеродный цикл», - сказал профессор Йео.
Команда также включила батарею в прототип устройства для достижения стабильного и непрерывного производства этилена, ключевой проблемы в системах искусственного фотосинтеза. Аккумулятор накапливает избыточную солнечную энергию, собранную в течение дня, для питания устройства ночью или при слабом освещении, гарантируя, что работа не будет прерываться из-за меняющегося количества солнечного света в течение дня.
Изобретение знаменует собой важную веху в реализации масштабируемой системы искусственного фотосинтеза для чистого и устойчивого производства важных органических молекул, таких как этилен.
Двигаясь вперед, команда продолжит работу над своим устройством для увеличения производства этилена, а также будет использовать аналогичные системы для производства жидкого топлива, такого как этанол и пропанол.