Превратит ли «искусственный лист» углекислый газ в топливо?

Выделяемый в процессе сжигания топлива на производственных предприятиях и в двигателях машин углекислый газ (диоксид углерода, CO2), превращение которого в камень может, как полагают ученые, предотвратить потепление, продолжает накапливаться в атмосфере и, как считается, становится причиной изменения климата. Но деревья и другие растения потихоньку поглощают содержащийся в атмосфере углекислый газ, преобразуя его в содержащие энергию сахара. Может ли углекислый газ вновь использоваться в качестве топлива?

Более подробно тема использования углекислого газа на благо человеческой цивилизации была рассмотрена в опубликованной ресурсом sciencedaily.com заметке «A new leaf: Scientists turn carbon dioxide back into fuel».

Новое исследование было проведено Аргоннской национальной лабораторией (Argonne National Laboratory) Министерства энергетики США (U.S. Department of Energy) и Илинойсским университетом в Чикаго (University of Illinois at Chicago). Учеными был найден способ преобразования углекислого газа в полезный источник энергии под воздействием солнечного света, который подобен происходящему в растениях процессу.

Основным препятствием является то, что углекислый газ сравнительно плохо вступает в химические реакции, его трудно преобразовать во что-либо иное, отмечает автор проведенного исследования, химик Аргоннской национальной лаборатории Лэрри Картисс (Larry Curtiss).

Чтобы преобразовать углекислый газ в топливо, которое может быть использовано, Лэрри Картиссу и его коллегам было необходимо найти катализатор — определенное соединение, которое может сделать углекислый газ в большей степени способным вступать в химические реакции.

В процессе преобразования углекислого газа из атмосферы в сахар растения используют органический катализатор, называемый ферментом (энзимом). Исследователями было использовано металлическое соединение — селенид вольфрама(IV) (tungsten diselenide) в виде хлопьев наноразмера (nanosized flakes), благодаря чему была максимально увеличена площадь поверхности и расширена способность к вступлению в химические реакции.

Если растения преобразуют углекислый газ в сахар, то исследователи из Аргоннской национальной лаборатории работали над преобразованием диоксид углерода в монооксид углерода. Монооксид углерода также относится к парниковым газам, но он проще, чем диоксид углерода, вступает в химические реакции, и ученые уже располагают способами преобразования монооксида углерода в топливо, которое может быть использовано, например, метанол.

Второй из авторов проведенного исследования, физик из Аргоннской национальной лаборатории Петер Запол (Peter Zapol), отмечает, что производство топлива из монооксида углерода более эффективно, что стремление произвести его непосредственно из диоксида углерода.

Хотя реакция, которая используется для трансформации диоксида углерода в монооксид углерода отличается от тех, которые встречаются в природе, она требует включения в нее некоторых основ фотосинтеза. Лэрри Картисс поясняет, в чем состоят различия:

В [процессе] фотосинтеза деревьям необходима энергия от света, воды и диоксида углерода для того, чтобы создать себе топливо; в [ходе] нашего эксперимента ингредиенты те же, но продукт иной.

In photosynthesis, trees need energy from light, water and carbon dioxide in order to make their fuel; in our experiment, the ingredients are the same, but the product is different.

Запуск реакции в достаточной степени подобен естественному процессу. Команде исследователей удалось создать что-то подобное «искусственному листу», способному провести все три шага реакции. Первый шаг состоит в поступлении фотонов, пакетов света, которые преобразуются в пары отрицательно заряженных электронов и корреспондируются с положительно заряженными «отверстиями», которые отделены друг от друга.

На втором шаге «отверстия» реагируют с молекулами воды, производя фотоны и молекулы кислорода. И, в конечном итоге, протоны, электроны и диоксид углерода, вступая друг с другом в реакцию, производят монооксид углерода и воду.

Петер Запол отмечает:

Мы сжигаем так много различных видов углеводородов — таких как уголь, масло и бензин, — что нахождение экономного способа сделать химические виды топлива в большей степени подходящими для повторного использования с помощью солнечного света может иметь большое значение.

We burn so many different kinds of hydrocarbons — like coal, oil or gasoline — that finding an economical way to make chemical fuels more reusable with the help of sunlight might have a big impact.

Следуя поставленной цели, исследователи также показали, что рассмотренная выше реакция происходит с минимальными потерями энергии, что делает процесс весьма эффективным. Петер Запол поясняет эту важную мысль:

Чем менее эффективна реакция, тем выше энергозатраты на повторное использование диоксида углерода, поэтому эффективность реакции является решающей.

The less efficient a reaction is, the higher the energy cost to recycle carbon dioxide, so having an efficient reaction is crucial.

Лэрри Картисс также отмечает, что селенид вольфрама является катализатором весьма длительного пользования, которого хватает более чем на 100 часов, что является для катализатора весьма высокой характеристикой.

Результаты исследования «Nanostructured transition metal dichalcogenide electrocatalysts for CO2 reduction in ionic liquid» были опубликованы журналом Science. Большая часть экспериментальной работы была проведена в Илинойсском университете в Чикаго, в то время как вычислительная работа была проведена в Аргоннской национальной лаборатории.

Исследования в направлении применения диоксида углерода в качестве топлива имеют определенную историю. Ранее ученым удалось получить керосин из воды и углекислого газа. Кроме того, учеными в ходе одностадийного процесса было получено жидкое топливо из CO2 и воды.

Природа не только таит в себе немало удивительных загадок — к примеру, накопленная в деревьях вода, вероятно, может вызывать грозы. Она также способна подсказать ученым способы решения важных для человечества задач и помочь им в том числе и в поиске новых видов топлива.

Сможет ли выделяемый человеческой цивилизацией в атмосферу углекислый газ со временем стать новым источником энергии?