Исследователи из Техасского университета A&M выяснили, как эффективнее преобразовывать углекислый газ (CO₂) в полезное топливо и химические вещества. Это может способствовать экологической устойчивости и развитию местной экономики.
Под руководством доктора Маниша Шетти, доцента кафедры химического машиностроения имени Арти Макферрина, в исследовании, опубликованном в журнале Chem Catalysis, изучается взаимодействие определённых металлов с материалом под названием SAPO-34.
«Эта работа посвящена пониманию того, как контролировать то, что мы производим из CO₂», — сказал Шетти. «Если мы хотим создавать топливо и химические вещества из CO₂, мы можем это делать. Но нам нужно знать, как правильно смешивать ингредиенты».
Вместо того чтобы сосредотачиваться исключительно на выбросах, работа Шетти подчёркивает идею цикличности, повторного использования углерода в качестве ресурса.
«Мы не просто думаем о CO₂ как о парниковом газе, — сказал он. — Мы спрашиваем, можем ли мы построить экономику замкнутого цикла, где углерод используется повторно, а не тратится впустую?»
Влияние на промышленность
Последствия выходят за рамки экологических выгод. Благодаря возможности селективного производства топлива или химических веществ, эти исследования могут помочь отраслям снизить затраты, повысить эффективность и адаптироваться к меняющимся требованиям рынка.
«Если кто-то придёт к нам через пять или десять лет и скажет: „Я хочу получить пропан из CO₂ и водорода“, мы должны быть в состоянии ответить: „Выберите этот металл, соедините его с этим катализатором, и вот как их соединить“, — сказал он. — Это как набор инструментов для проектирования химической промышленности будущего».
Это будущее может включать не только крупные нефтеперерабатывающие заводы, но и более мелкие децентрализованные системы, которые принесут пользу сельским общинам.
«Например, целлюлозно-бумажная промышленность или заводы по производству этанола часто выделяют углекислый газ высокой чистоты, — объяснил Шетти. — Сейчас этот CO₂ просто выбрасывается. Но что, если мы сможем использовать его для производства пропана для местного отопления или приготовления пищи? Это способ превратить отходы в ценность и поддержать местную экономику».
Вызовы и открытия
Традиционно химические инженеры говорят, что сближение различных компонентов катализатора повышает эффективность. Но исследование команды ставит это предположение под сомнение.
«Исторически считалось, что чем ближе вы поднесёте два компонента, тем лучше будет реакция, — сказал Шетти. — Но мы обнаруживаем, что это не всегда так. Иногда слишком близкое расположение позволяет металлам взаимодействовать таким образом, что это вредит производительности».
Процесс включает два основных этапа: сначала преобразование CO₂ и водорода в метанол с использованием оксидов металлов, таких как оксид индия, оксид цинка-циркония или оксид хрома. Затем метанол преобразуется в углеводороды с помощью SAPO-34, материала с кислотными участками, которые способствуют протеканию реакции.
Но когда эти материалы расположены очень близко друг к другу, на наноуровне, происходит нечто неожиданное. Ионы металлов могут мигрировать и менять местами с кислотными участками в SAPO-34, меняя ход реакции.
«Люди часто думают о том, как молекулы движутся в этих системах, но не о том, как движутся сами металлы, — объяснил Шетти. — Мы показываем, что эти металлы не являются невинными наблюдателями. Они движутся, и это движение имеет последствия».
Команда обнаружила, что ионы индия имеют тенденцию блокировать желаемые химические пути, приводя в основном к метану, менее полезному продукту в этом контексте. Ионы цинка, напротив, способствуют образованию парафинов, которые больше похожи на топливо. А хром показал слабое взаимодействие, позволяя реакции протекать так, как задумано.
«Это исследование посвящено интенсификации процессов — повышению экономичности, использованию меньших реакторов, экономии на капитальных и операционных расходах, — сказал Шетти. — Но речь также идёт о том, чтобы дать нам контроль над тем, что мы производим и как мы это производим».
По мере того как исследователи продолжают совершенствовать свои методы, они надеются предложить практические решения, которые превратят научные открытия в реальные приложения.
«Это всего лишь один шаг на более длинном пути, — сказал Шетти. — Но это шаг, который приближает нас к более устойчивому и экономически устойчивому будущему».
Предоставлено:
Техасский университет A&M