Проектирование и управление процессом играют ключевую роль в сокращении выбросов CO₂ из дымовых газов или атмосферы. Для защиты климата важно извлекать углекислый газ из процессов горения и использовать его для создания ценных материалов. Однако это задача не из лёгких, так как помимо CO₂ в дымовых газах содержатся и другие газы.
Международная исследовательская группа под руководством профессора Вольфганга Шуманна из Центра электрохимии Рурского университета Бохума (Германия) разработала метод, позволяющий электрохимически восстанавливать CO₂ даже при его низких концентрациях, чтобы перерабатывать его. Результаты исследования опубликованы в журнале Angewandte Chemie International Edition.
В реальных условиях CO₂ составляет лишь небольшую часть газовой смеси в дымовых газах или атмосфере, что сильно отличается от лабораторных условий. Для того чтобы извлекать углекислый газ в таких условиях и использовать его как ценный материал, каталитические процессы должны эффективно работать даже при низкой концентрации CO₂.
«Наша проблема заключается в конкурирующих реакциях, происходящих на катализаторе», — объясняет Шуманн. «Чем меньше молекул CO₂ доступно для преобразования, тем выше вероятность образования водорода вместо нужного продукта во время катализа».
Если скорректировать электролит и использовать более щелочной раствор, чтобы избежать этой проблемы, возникает другая сложность: CO₂ преобразуется в карбонат и становится недоступным для желаемых реакций.
Успешные каталитические процессы по восстановлению CO₂ уже были описаны при концентрации углекислого газа 10–20%. Но что делать, если его содержание ещё ниже?
«Используя высокоактивный катализатор на основе никеля и меди, нам удалось успешно провести катализ восстановления при содержании CO₂ до 5%», — говорит Адиб Махбуб, первый автор публикации.
При концентрации ниже этого уровня исследователям пришлось применить нестандартные решения. Благодаря настройке электрических потенциалов и состава электролита они смогли провести восстановление даже из газовой смеси с содержанием CO₂ всего 2%.
«Хотя это приводит к потерям энергии, грамотное управление процессом позволяет впервые использовать источники, которые ранее были недоступны для восстановления CO₂», — отмечает Шуманн. «Будущим поколениям предстоит развивать такие концепции, если они хотят извлекать углекислый газ из атмосферы, где его концентрация ещё ниже».
More information: Muhammad Adib Abdillah Mahbub et al, Towards the Use of Low‐Concentration CO2 Sources by Direct Selective Electrocatalytic Reduction, Angewandte Chemie International Edition (2024). DOI: 10.1002/anie.202419775