Новый метод преобразования углекислого газа (CO₂) в этилен с использованием значительно меньшего количества энергии, чем при существующих подходах, может помочь сократить выбросы в одном из наиболее углеродоёмких производственных процессов в мире.
В основе прорыва — катализатор, разработанный под руководством доцента Лум Янвэя из Департамента химической и биомолекулярной инженерии Колледжа проектирования и инженерии Национального университета Сингапура (NUS).
Его команда разработала материал на основе меди, обогащённый небольшими количествами кобальта (допанты), которые добавляются чуть ниже поверхности катализатора. Эти допанты изменяют поведение меди во время реакции, позволяя более эффективно и с меньшими затратами энергии преобразовывать CO₂ в этилен.
«Внося точные изменения на атомном уровне, мы смогли сместить наиболее энергоёмкий этап реакции, что сделало весь процесс гораздо более эффективным», — сказал доцент Лум. «Это делает процесс гораздо более практичным для промышленного применения».
Исследование команды было опубликовано в журнале Nature Synthesis.
Этилен — ключевое сырьё, используемое для производства пластмасс, упаковки, текстиля и многих других повседневных товаров, и является одним из наиболее широко производимых химических веществ в мире. Однако большинство современных производств этилена использует процесс, известный как паровой крекинг, который включает нагрев ископаемого топлива до чрезвычайно высоких температур и приводит к выбросу больших объёмов CO₂.
Новый катализатор, разработанный командой доцента Лума, был протестирован в устройстве, известном как мембранно-электродная сборка, — компактной, многослойной системе, которая объединяет реагенты, катализатор и электрический ток в строго контролируемой среде. Такая конструкция обеспечивает эффективный поток газа и разделение продуктов и обычно используется в электрохимических технологиях, разрабатываемых для промышленного применения.
По словам исследователей, система обеспечила высокий выход этилена с более чем 25% энергоэффективностью и оставалась стабильной в течение 140 часов непрерывной работы. «Мы также показали, что катализатор хорошо работает, производя этилен из CO₂ низкой чистоты, например, из промышленного дымового газа», — сказал доцент Лум. «Это улучшает его потенциал для использования в реальных условиях».
Открытие основано на более ранних исследованиях под руководством доцента Лума, в которых изучалось поведение атомов водорода во время преобразования CO₂. Эта фундаментальная работа помогла исследователям выявить ключевые узкие места в реакции и повлияла на разработку нового катализатора.
«Наша предыдущая работа помогла нам определить, почему реакция имеет тенденцию останавливаться», — сказал доцент Лум. «Это дало нам более чёткую цель для разработки лучшего катализатора, и результаты превзошли ожидания».
Анализ затрат, проведённый исследовательской группой, показывает, что при использовании доступного возобновляемого электричества процесс может производить этилен по стоимости, сопоставимой с традиционными методами, основанными на ископаемом топливе.
Поскольку глобальный спрос на этилен продолжает расти, возможность его производства с более низкими выбросами углерода может иметь значительные экологические преимущества.
Предоставлено Национальным университетом Сингапура