Топливо из воздуха и воды
Использовать энергию солнца и ветра для производства углеводородного топлива может показаться нелепой идеей, когда речь идет о том, чтобы сделать мир экологически чистым. Однако если принять во внимание, что исходным материалом для производства топлива является углекислый газ, выделяемый из воздуха, эта идея сразу предстает в «зеленых» тонах.
Технологии, которая позволила бы поставить эту идею на промышленные рельсы и сделать производство топлива из воздуха экономически выгодным пока не существует, но недавно опубликованные материалы позволяют надеяться, что первый шаг уже сделан. Причем выделение CO2 не является самоцелью – суть в том, чтобы использовать газ как ингредиент для создания топлива с нейтральным уровнем эмиссии углерода.
Ксяо-Донг Жоу, доцент кафедры химических технологий Университета Южной Каролины входит в научную группу, которая занимается разработкой целостного подхода к управлению возобновляемой энергией.
Солнечные (ФВ) панели и ветряные турбины – распространенный метод выработки электроэнергии, однако этот метод сопряжен с некоторыми проблемами. Чтобы удовлетворять спрос в электроэнергии, коммунальным службам необходим постоянный источник, но как быть, если солнце село, а ветер стих?
Альтернативное решение, которое позволяет с помощью «зеленого» электричества поднять CO2 на новый уровень в иерархии энергоносителей обсуждалось специалистами в течение долгого времени. Углекислый газ как продукт горения, который выбрасывается в атмосферу из труб электростанций, представляет серьезную угрозу атмосфере земли, но если рассматривать этот газ в аспекте выработки углеродного топлива, отношение к нему резко меняется в лучшую сторону. Энергия вырабатывается – углекислый газ исчезает.
Затратив энергию можно разложить CO2 на углеродистые соединения, которые используются в качестве топлива. На языке химиков это называется раскислением: исходный газ трансформируется в соединения с меньшим содержанием углерода, которые можно использовать в качестве топлива. Цель технологического процесса выделить такие одно-углеродные молекулы как монооксид углерода (CO), метанол и метан – это вещества с высокой энергоемкостью.
Все эти вещества можно использовать в пасмурные или безветренные периоды времени, и зачастую их можно задействовать более оперативно, чем электроэнергию. К примеру, метан является основным компонентом природного газа, для сжигания которого уже сегодня существует развитая инфраструктура.
Метанол (или древесный спирт) близок по составу этанолу (этиловый спирт) и обычно используется в качестве жидкого топлива. Монооксид углерода не слишком хорошо вписывается в этот ряд, однако и у него есть химические свойства, которые позволяют использовать его в качестве топлива; в качестве самостоятельного вещества или как компонент для других видов топлива.
Сложность заключается в том, чтобы сделать процесс раскисления CO2 экономически выгодным. Необходимо добиться эффективного преобразования электрической энергии в химическую, а также снизить стоимость аппарата, в котором происходит процесс.
Жоу и его исследовательская группа недавно опубликовали в журнале Angewandte Chemie документ, в котором отражен прогресс, достигнутый по обоим вопросам. Им удалость разработать потенциально недорогой катализатор, который эффективно преобразовывается CO2 в CO в электрохимической ячейке.
Отправной точкой в изготовлении катализаторов стало применение в качестве модели углеродных нанотрубок; они состоят исключительно из атомов углерода. Но для изготовления катализаторов способных раскислять CO2 пришлось насадить в углеродные трубки некоторое количество атомов азота, чтобы изменить геометрическую и энергетическую структуру катализатора.
Результатом добавления атомов азота стала повышенная устойчивость катализатора в сравнении с катализаторами на основе металлов, ранее описанными для аналогичных реакций в специальной литературе.
Исследователи пошли дальше: они определили, каким образом микроструктура измененной нанотрубки влияет на процесс катализа. Когда атом азота занимает место углерода, в нанотрубке изменяются некоторые химические структурные связи; одна из них (ее называют пиридиновой) стала причиной повышения эффективности катализа. За счет этих структурных изменений углеродная трубка составила серьезную конкуренцию трубкам из более дорогих драгоценных материалов, которые также используются для раскисления CO2.
Жоу и его коллеги удовлетворены результатами исследований, однако не собираются останавливаться на достигнутом.
«Мы сотрудничаем с другими институтами, где ведется работа по расщеплению воды с помощью фотовольтажных технологий. В будущем мы планируем совместить обе реакции в один процесс»,– рассказал Жоу.
«На первом этапе расщепление воды – протоны движутся от анода к катоду через электролит, а затем – реакция с двуокисью углерода и преобразование в топливо.
Впереди еще много работы, но первый шаг уже сделан».
