Вчені створили швидкий і доступний спосіб перетворення CO2 на синтетичні прекурсори палива за допомогою каталізаторів із напиленням і методів прямої кристалізації. Що, якби ми змогли перетворити шкідливе забруднення на цінне джерело енергії? Оскільки світ рухається до вуглецевої нейтральності, розробка нових технологій, які зменшують викиди, є важливою.
Дослідники з Університету Тохоку, Університету Хоккайдо та AZUL Energy, Inc. створили ефективний метод перетворення вуглекислого газу (CO2) на окис вуглецю (CO), важливий будівельний матеріал для синтетичного палива. Їхній процес встановив новий стандарт, скоротивши час перетворення з 24 годин до 15 хвилин.
«Перетворення CO2 на CO зараз є гарячою темою для вирішення проблеми зміни клімату, але звичайні методи мали серйозні підводні камені, які ми хотіли вирішити», — сказав Лю Теньї з WPI-AIMR Університету Тохоку. «Матеріали були дорогими, нестабільними, мали обмежену селективність і потребували багато часу для підготовки. Просто було б неможливо використовувати їх у реальних промислових умовах».
Економічно ефективний дизайн каталізатора з використанням фталоціанінів
Щоб задовольнити промислові потреби, дослідники досліджували різні типи фталоціанінів (Pc) — включно з безметалевими (H2Pc), залізом (FePc), кобальтом (CoPc), нікелем (NiPc) і міддю (CuPc) — як потенційні каталізатори. Вони застосували ці сполуки до газодифузійних електродів за допомогою простої техніки розпилення, яка утворювала кристалічні шари безпосередньо на поверхні електрода. Серед них фталоціанін кобальту (CoPc), недорогий комплекс пігменту та металу, продемонстрував найвищу ефективність у перетворенні CO2 в CO.
Цей схожий на графіті метод простого розпилення каталізатора на поверхню скорочує типовий час обробки лише до 15 хвилин. Звичайні методи вимагали виснажливого процесу змішування електропровідного вуглецю та зв’язуючих, сушіння та термічної обробки протягом 24 годин. Крім того, за щільності струму 150 мА/см² нова система зберігала стабільну роботу протягом 144 годин.
Використовуючи базу даних DigCat (найбільшу базу даних експериментального електрокаталізу на сьогоднішній день), дослідники підтвердили, що їхній каталізатор перевершив усі раніше зареєстровані каталізатори на основі ПК.
Дотримання промислових стандартів для перетворення CO2 на CO
«Це не тільки найкращий на сьогодні каталізатор на основі ПК для виробництва вуглекислого газу, але він успішно перевищує порогові значення промислових стандартів щодо швидкості реакції та стабільності», — зауважує Лю. «Це перший в історії, який зробив розріз».
Щоб дослідити причини такої високої продуктивності, команда провела структурний аналіз за допомогою синхротронного випромінювання на об’єкті NanoTerasu разом із теоретичними розрахунками. Результати показали, що кристалізація призвела до щільно упакованих молекул, що сприяло ефективному переносу електронів на поверхню. Ці висновки підкреслюють, що пряма кристалізація є ефективною стратегією для виготовлення каталітичних електродів на основі комплексу металів для електровідновлення CO₂.
Метод виготовлення газодифузійного електрода, розроблений у цьому дослідженні, разом із технологією електролізу CO 2 пропонує багатообіцяючий шлях для синтезу монооксиду вуглецю (CO), важливого проміжного продукту для синтетичного палива, з CO 2 з високою ефективністю за допомогою недорогих каталізаторів на основі пігменту.
Цей підхід усуває одне з ключових вузьких місць у виробництві синтетичного палива шляхом підвищення енергоефективності та зниження витрат, пов’язаних з використанням CO2. Таким чином, він має великий потенціал як технологія наступного покоління для захоплення та утилізації вуглекислого газу (CCU).
