Учёные разработали быстрый и недорогой способ преобразования CO₂ в сырьё для синтетического топлива, используя катализаторы с напылением и методы прямой кристаллизации.
А что если бы мы могли превращать вредное загрязнение в ценный источник энергии? По мере того как мир движется к углеродной нейтральности, разработка новых технологий для снижения выбросов становится как никогда важной.
Исследователи из Университета Тохоку, Университета Хоккайдо и компании AZUL Energy, Inc. разработали эффективный метод преобразования углекислого газа (CO₂) в окись углерода (CO) — важный компонент для производства синтетического топлива. Их технология установила новый стандарт, сократив время преобразования с 24 часов до всего 15 минут.
«Преобразование CO₂ в CO — одна из горячих тем в борьбе с изменением климата, но у традиционных методов есть серьёзные недостатки, которые мы хотели устранить», — говорит Лю Тэнъи из Института перспективных материалов WPI-AIMR при Университете Тохоку. «Материалы были дорогими, нестабильными, с ограниченной избирательностью и требовали много времени на подготовку. Использовать их в реальных промышленных условиях было бы попросту невозможно».
Экономичный дизайн катализаторов с использованием фталоцианинов
Для удовлетворения потребностей промышленности исследователи изучили различные типы фталоцианинов (Pc), включая металлосвободные (H2Pc), железо (FePc), кобальт (CoPc), никель (NiPc) и медь (CuPc), как потенциальные катализаторы. Эти соединения были нанесены на газодиффузионные электроды с помощью простой распыляющей техники, что позволило сформировать кристаллические слои непосредственно на поверхности электрода. Среди них фталоцианин кобальта (CoPc), дешёвый пигмент и металлический комплекс, показал наивысшую эффективность в преобразовании CO₂ в CO.
Этот метод, напоминающий граффити, заключается в простом распылении катализатора на поверхность, что сокращает стандартное время обработки до всего 15 минут. Традиционные методы требовали долгого процесса смешивания проводящего углерода и связующих веществ, сушки и термической обработки в течение 24 часов. Кроме того, при плотности тока 150 мА/см² новая система сохраняла стабильную эффективность в течение 144 часов.
Используя базу данных DigCat (самую крупную на данный момент экспериментальную базу данных электрокатализаторов), исследователи подтвердили, что их катализатор превзошёл все ранее зарегистрированные катализаторы на основе фталоцианинов.
Соответствие промышленным стандартам преобразования CO₂ в CO
«Это не только лучший катализатор на основе фталоцианинов для производства CO на сегодняшний день, но он также успешно превышает промышленные стандарты по скорости реакции и стабильности», — отмечает Лю. «Это первый случай, когда катализатор достиг этих показателей».
Чтобы выяснить причины такой высокой эффективности, команда провела структурный анализ с использованием синхротронного излучения на установке NanoTerasu, а также теоретические расчёты. Результаты показали, что кристаллизация привела к плотной упаковке молекул, что способствовало эффективному переносу электронов на поверхность. Эти выводы подчеркивают, что прямая кристаллизация — это эффективная стратегия для изготовления катализаторных электродов на основе металлических комплексов для электровосстановления CO₂.
Разработанный в этом исследовании метод изготовления газодиффузионных электродов в сочетании с технологией электролиза CO₂ открывает перспективный путь для высокоэффективного получения окиси углерода (CO) — важного промежуточного продукта для синтетического топлива — из CO₂ с использованием недорогих катализаторов на основе пигментов.
Такой подход решает одну из ключевых проблем в производстве синтетического топлива — повышает энергетическую эффективность и снижает затраты, связанные с использованием CO₂. Благодаря этому технология обладает высоким потенциалом как решение нового поколения для улавливания и использования углекислого газа (CCU).