Учёные из Кильского университета (CAU) разработали новый катализатор, который может преобразовывать углекислый газ (CO₂) — один из наиболее значимых парниковых газов — в метан. Этот газ служит универсальным энергоносителем и может быть напрямую подан в существующие сети природного газа.
Новый катализатор
Новый катализатор отличается невысокой стоимостью, долговечностью и эффективностью, превосходящей промышленные материалы. Результаты исследования были опубликованы в журнале ChemSusChem.
Концепция Power-to-Gas (PtG)
Концепция Power-to-Gas (PtG) позволяет хранить возобновляемую энергию в химической форме. Используя электричество, исследователи сначала получают водород, а затем реагируют его с CO₂, образуя метан.
Профессор Мальте Беренс из Института неорганической химии Кильского университета, возглавляющий подпроект в рамках программы DFG Priority Program SPP 2080, объясняет: «В реальных условиях реакционная смесь колеблется из-за переменного электроснабжения от ветряной и солнечной энергии. Поэтому нам нужны катализаторы, которые надёжно работают даже в таких переменных условиях».
Междисциплинарный проект
Этот междисциплинарный проект объединяет химию, физику, материаловедение и инженерию. Типично для приоритетного направления исследований «Кильская нано-, поверхностная и интерфейсная наука» (KiNSIS), когда учёные изучают материалы от атомного масштаба до технических применений, адаптируя их свойства для практического использования.
Создание нового катализатора
Команда из Киля адаптировала проверенную концепцию для нового катализатора: они объединили элементы никеля и магния на атомном уровне. Эта контролируемая сокристаллизация образует твёрдый раствор, который непосредственно перед реакцией в реакторе разделяется на мельчайшие частицы никеля, стабилизированные оксидом магния. Оксид магния также усиливает адсорбцию CO₂, делая реакцию особенно эффективной.
«Эта наноструктура имеет ключевое значение», — говорит доктор Анна Вольф, первый автор исследования. «Частицы никеля остаются равномерно распределёнными, а оксид магния значительно способствует образованию метана».
Результат
Результат впечатляет: даже при относительно низких температурах в 260 °C катализатор преобразует большие объёмы CO₂ в метан. Практически 1 килограмм материала может произвести достаточно метана менее чем за неделю, чтобы отапливать дом на одну семью в течение целого года.
Команда объясняет свой успех тщательной оптимизацией каждого этапа синтеза. «Всё началось с идеи переноса проверенной концепции в новую систему материалов», — говорит Беренс. «Тот факт, что наш катализатор теперь превосходит промышленные материалы, подчёркивает ценность систематических фундаментальных исследований».
Дальнейшие шаги
Исследователи масштабируют свои лабораторные результаты и тестируют катализатор в реальных условиях PtG вместе с партнёрами из Гамбургского университета. Приоритетная программа SPP 2080 «Катализаторы и реакторы в условиях динамической эксплуатации для хранения энергии и её преобразования» координируется Технологическим институтом Карлсруэ (KIT). В рамках двенадцати подпроектов исследовательские группы со всей Германии тесно сотрудничают над решением этой задачи.
Предоставлено Кильским университетом.