Представьте себе машину, которая может поглощать углекислый газ из атмосферы, пропускать его через серию химических реакций и, по сути, превращать его в промышленный пластик. Это не просто фантазия — учёные из Калифорнийского технологического института (Caltech) сделали значительный шаг в этом направлении.
Доктор Тео Агапие, профессор химии имени Джона Стауфера и исполнительный директор по химии в Caltech, говорит: «Я думаю, что это то, чем мы, как общество, были бы заинтересованы. В конце концов, помимо того, что углекислый газ является парниковым газом, он также является распространённым и недорогим сырьём».
В статье, опубликованной в журнале Angewandte Chemie International Edition, Агапие и команда химиков из Caltech разработали систему, которая использует электричество из устойчивых источников для химического превращения углекислого газа (CO₂) в молекулы, такие как этилен и монооксид углерода, которые полезны для производства более сложных соединений.
Когда этот процесс осуществляется с использованием света в качестве источника энергии, без участия растений, такой процесс известен как искусственный фотосинтез. Новая система направляет этилен и монооксид углерода, которые были получены, во вторую каталитическую петлю, которая производит промышленно полезные пластики, называемые поликетонами. Они известны своей прочностью, долговечностью и термостойкостью, что делает их идеальными для использования в различных областях: от клеёв до автомобильных деталей, от спортивного инвентаря до промышленных трубопроводов.
«Мы показали, что можно использовать CO₂ для производства полезного материала без использования растений в качестве посредника», — говорит ведущий автор Макс Желябовский, аспирант в лаборатории Агапие.
Команда под руководством Caltech не первая, кто создал систему, которая пытается соединить восстановление CO₂ со второй химической реакцией для получения полимеров. Но предыдущие системы добавляли этилен, полученный из нефтепродуктов, а не из углекислого газа и воды.
Превращение CO₂ в пластик было сложной задачей по ряду причин. Среди них — тот факт, что предыдущие электрохимические системы восстановления CO₂ давали очень мало этилена и монооксида углерода, реагентов, необходимых для проведения второй стадии преобразования в поликетоны. Большинство из них производили менее 5% концентрации этих желаемых соединений вместе с другими нежелательными химическими веществами, которые потенциально могут нанести вред последующим процессам.
Желябовский говорит, что на лабораторном уровне было трудно получить высококонцентрированные потоки реагентов высокой чистоты, которые затем можно было бы преобразовать в нечто вроде пластика или топлива. Но система, которую он помогал разрабатывать, достигает значительно более высоких концентраций — 11% этилена и 14% монооксида углерода.
Однако это не единственная проблема. Связать две системы — одну для восстановления CO₂ и другую для каталитического этапа, который следует за ней — не так просто, говорит Желябовский.
Команда Caltech разработала систему, состоящую из двух отдельных контуров для отдельных реакций. В первом контуре система начинается с газодиффузионных электродных ячеек, гидрофобных полимеров, покрытых тонким слоем меди. Учёные закачивают CO₂ в газовый баллон, подключённый к ячейкам, и пропускают через ячейки электролит — бикарбонат калия, одновременно подавая напряжение на электроды.
После примерно часа накопления этих газов исследователи подают этилен и монооксид углерода во второй этап: закрытый реактор, где газы пропускаются через раствор палладиевого катализатора. Этот процесс обогащает раствор этиленом и монооксидом углерода. Катализатор, известный как сополимеризационный катализатор, способствует эффективному образованию полимера — в данном случае поликетона — из двух мономеров.
Обычно катализаторы тестируются в идеальных условиях, которые не обязательно соответствуют условиям, с которыми они сталкиваются во время электрохимического восстановления CO₂. Например, хотя водяной пар очень вреден для многих катализаторов полимеризации, вода является необходимой частью восстановления CO₂, и поэтому введение водяного пара неизбежно.
В новой работе Агапие, Петерс и их коллеги показали, что палладиевый катализатор можно использовать даже в присутствии загрязнителей, которые вводятся во время восстановления CO₂, включая не только водяной пар, но и водород, непрореагировавший CO₂, пары спиртов и другие химические промежуточные соединения.
Желябовский говорит, что новая система и методика нуждаются в дополнительной доработке. Например, пока что поликетоны, полученные с помощью этой системы, не имеют таких же молекулярных масс, как те, что производятся стандартным способом. Однако, по его словам, «демонстрируя, что это возможно, мы можем повысить интерес к этой области, и, возможно, люди смогут развить этот принцип».
Агапие отмечает, что для того, чтобы этот процесс привёл к созданию устойчивой и практичной технологии, электричество должно поступать из возобновляемых и безуглеродных источников, и оно должно быть достаточно недорогим, чтобы конкурировать с нефтепродуктами.
Дополнительные авторы статьи «Пластик из CO₂, воды и электричества: тандем электрохимического восстановления CO₂ и термохимической сополимеризации этилен-СО» — Хюк-Джун Джунг и Паула Л. Диаконеску из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе.
Предоставлено Калифорнийским технологическим институтом.