Використовувати енергію сонця і вітру для виробництва вуглеводневого палива може здатися безглуздою ідеєю, коли мова йде про те, щоб зробити світ екологічно чистим. Однак якщо взяти до уваги, що вихідним матеріалом для виробництва палива є вуглекислий газ, що виділяється з повітря, ця ідея відразу постає в «зелених» тонах.
Технології, яка дозволила б поставити цю ідею на промислові рейки і зробити виробництво палива з повітря економічно вигідним поки не існує, але нещодавно опубліковані матеріали дозволяють сподіватися, що перший крок уже зроблено. Причому виділення CO2 не є самоціллю - суть в тому, щоб використовувати газ як інгредієнт для створення палива з нейтральним рівнем емісії вуглецю.
Ксяо-Донг Жоу, доцент кафедри хімічних технологій Університету Південної Кароліни входить в наукову групу, яка займається розробкою цілісного підходу до управління відновлюваною енергією.
Сонячні (ФВ) панелі і вітряні турбіни - поширений метод вироблення електроенергії, однак цей метод пов'язаний з деякими проблемами. Щоб задовольняти попит в електроенергії, комунальним службам необхідний постійний джерело, але як бути, якщо сонце село, а вітер стих?
Альтернативне рішення, яке дозволяє за допомогою «зеленого» електрики підняти CO2 на новий рівень в ієрархії енергоносіїв обговорювалося фахівцями протягом довгого часу. Вуглекислий газ як продукт горіння, який викидається в атмосферу з труб електростанцій, становить серйозну загрозу атмосфері землі, але якщо розглядати цей газ в аспекті вироблення вуглецевого палива, ставлення до нього різко змінюється в кращу сторону. Енергія виробляється - вуглекислий газ зникає.
Витративши енергію можна розкласти CO2 на вуглецеві сполуки, які використовуються в якості палива. Мовою хіміків це називається розкисленням: вихідний газ трансформується в з'єднання з меншим вмістом вуглецю, які можна використовувати в якості палива. Мета технологічного процесу виділити такі одне-вуглецеві молекули як монооксид вуглецю (CO), метанол і метан - це речовини з високою енергоємністю.
Всі ці речовини можна використовувати в похмурі або безвітряні періоди часу, і часто їх можна задіяти більш оперативно, ніж електроенергію. Приміром, метан є основним компонентом природного газу, для спалювання якого вже сьогодні існує розвинена інфраструктура.
Метанол (або деревний спирт) близький за складом етанолу (етиловий спирт) і зазвичай використовується в якості рідкого палива. Монооксид вуглецю не дуже добре вписується в цей ряд, проте і у нього є хімічні властивості, які дозволяють використовувати його в якості палива; в якості самостійного речовини або як компонент для інших видів палива.
Складність полягає в тому, щоб зробити процес розкислення CO2 економічно вигідним. Необхідно домогтися ефективного перетворення електричної енергії в хімічну, а також знизити вартість апарату, в якому відбувається процес.
Жоу і його дослідницька група нещодавно опублікували в журналі Angewandte Chemie документ, в якому відображено прогрес, досягнутий з обох питань. Їм удалость розробити потенційно недорогий каталізатор, який ефективно перетворюється CO2 в CO в електрохімічної осередку.
Відправною точкою у виготовленні каталізаторів стало застосування в якості моделі вуглецевих нанотрубок; вони складаються виключно з атомів вуглецю. Але для виготовлення каталізаторів здатних понижати CO2 довелося насадити в вуглецеві трубки деяку кількість атомів азоту, щоб змінити геометричну та енергетичну структуру каталізатора.
Результатом додавання атомів азоту стала підвищена стійкість каталізатора в порівнянні з каталізаторами на основі металів, раніше описаними для аналогічних реакцій в спеціальній літературі.
Дослідники пішли далі: вони визначили, яким чином мікроструктура зміненої нанотрубки впливає на процес каталізу. Коли атом азоту займає місце вуглецю, в нанотрубці змінюються деякі хімічні структурні зв'язки; одна з них (її називають піридинових) стала причиною підвищення ефективності каталізу. За рахунок цих структурних змін вуглецева трубка склала серйозну конкуренцію трубках з більш дорогих дорогоцінних матеріалів, які також використовуються для розкислення CO2.
Жоу і його колеги задоволені результатами досліджень, проте не збираються зупинятися на досягнутому.
«Ми співпрацюємо з іншими інститутами, де ведеться робота з розщеплення води за допомогою фотовольтажних технологій. В майбутньому ми плануємо поєднати обидві реакції в один процес », - розповів Жоу.
«На першому етапі розщеплення води - протони рухаються від анода до катода через електроліт, а потім - реакція з двоокисом вуглецю і перетворення в паливо.
Попереду ще багато роботи, але перший крок уже зроблено ».