Исследователи работают над преодолением «узкого места» в конверсии углекислого газа

В последнее время ученые из разных стран разрабатывают способы превращения углекислого газа в топливо или другие полезные продукты. Если будет найдена недорогая технология, с помощью которой можно это делать, то удастся существенно сократить выбросы парниковых газов. Однако химические процессы, которые разрабатываются в лабораториях, не приносят ожидаемого результата в промышленных масштабах. А нужна технология, подходящая для использования на электростанциях или других подобных источниках выбросов углекислого газа. Недавно исследователи из Массачусетского технологического института (MIT) предложили своё решение данной проблемы.

Результаты исследования Альваро Морено Сото (Alvaro Moreno Soto), Джек Лейк (Jack Lake) и Крипа Варанаси (Kripa Varanasi) опубликовали в журнале Langmuir.

Варанаси отмечает, что снижение объёма выбросов углекислого газа является одной из важнейших задач современности. Большая часть исследований в этой сфере сосредоточена на улавливании и связывании углерода, когда газ заканчивается в какой-либо резервуар глубоко под землёй или преобразуется в твёрдое вещество. Но, по мнению исследователей, многообещающим направлением является преобразование углекислого газа в такие соединения, как этанол, метан, этилен. Из этих продуктов в дальнейшем можно получать топливо, полимеры и другие полезные материалы.

По мнению Варанаси, есть несколько технологий такого преобразования. Например, термокаталитические, электрохимические, фотохимические, фототермические и так далее. Термические процессы требуют нагрева до высокой температуры, на что расходуется много энергии. При этом не производится каких-то ценных химических продуктов. Эта же проблема сопровождает фототермические или фотохимические процессы. Поэтому команда ученых из MIT сосредоточилась на электрохимических подходах, чтобы получить «продукты с более высоким содержанием углерода». Это соединения, которые содержат больше атомов углерода, и в большинстве случаев являются ценным топливом из-за их высокой энергетической плотности.

Проблемой электрохимического способа конверсии углекислого газа является то, что основной процесс сдерживается конкурирующими реакциями. Например, расщепление молекул воды на водород и кислород.

Реакции идут при протекании жидкого электролита с растворенной в нём двуокиси углерода по  каталитической поверхности, имеющей электрический заряд. По мере того, как образуется диоксид углерода, в потоке электролита остаются области, где его концентрация мала. Поэтому в этих областях начинается реакция расщепления воды. Это приводит к нежелательному потреблению энергии и понижает общую эффективность процесса конверсии. Варанаси говорит, что над этой проблемой сейчас работает несколько групп ученых, и все они приходят к выводу, что коэволюция водорода является узким местом данного процессора.

Исследователи обнаружили, что одним из способов противодействия этой проблеме является импульсная подача тока. То есть, через определённые промежутки времени нужно отключать напряжение, останавливать реакцию и предоставлять время для выравнивания концентрации углекислого газа. После этого напряжение включается и реакция возобновляется.

В подобных исследованиях специалисты часто находили многообещающие каталитический материал и, но не проводили длительные лабораторные исследования из-за такого эффекта истощения. Поэтому все попытки масштабировать этот процесс заканчивались неудачей.

Учёные также отмечают, что концентрация углекислого газа рядом с катализатором определяет продукты, которое получается на выходе. То есть, истощение в некоторых областях электролита приводит к изменению состава продуктов на выходе и снижает надёжность технологии. Варанаси говорит, что это недопустимо для системы, работающей в промышленных масштабах.

Команда из MIT провела изучение трёх каталитических материалов, среди которых была медь. Они сосредоточились на оценке эффекта истощения и поняли, как его можно количественно оценить. В результате проведённой работы учёным удалось разработать простой и надежный метод мониторинга эффективности процесса. Для этого они измеряли изменяющийся уровень pH (меры кислотности) в электролите системы.

При проведении тестирования исследователи использовали сложные аналитические инструменты для оценки характеристик продуктов реакции. Например, газовую хроматографию для анализа газообразных продуктов и метод ядерного магнитного резонанса для жидких продуктов системы. Проведённый анализ продемонстрировал, что простое изменение pH электролита рядом с электродом во время процесса может обеспечить наблюдение за эффективностью реакции по мере её прохождения.

Как говорит Морено Сото, измерение pH позволяет легко контролировать реакцию в режиме реального времени. В итоге это позволит создать систему, оптимизированную с помощью методов машинного обучения. Учёные считают, что это позволит контролировать скорость производства желаемых соединений посредством непрерывной обратной связи. Теперь, когда процесс стал понятен и определён количественно, можно заняться разработкой на других подходов к уменьшению истощения углекислого газа. Их эффективность можно будет контролировать с помощью разработанной методики измерения pH.

Лейк отмечает, что методика не зависит от того, какой материал используется в качестве катализатора. Используя разработанную модель, можно точно определить, какой временной интервал требуется для восстановления концентрации двуокиси углерода, чтобы можно было возобновить процесс. Кроме того, это покажет общую эффективность каталитического материала, а также какими способами можно повысить эффективность процесса.

Сообщается, что данное исследование было поддержано компанией Shell в рамках инициативы MIT Energy.