В Йельском университете (США) разработали плазменную систему для превращения CO2 в предшественники авиационного топлива

Репортаж от Wedoany，Исследователи Йельского университета (Yale University) разработали систему, объединяющую плазму с электричеством, которая позволяет превращать углекислый газ (CO2) в ценные химические вещества, такие как метанол и бутан. Соответствующие результаты опубликованы в журнале Nature Catalysis; проект возглавляет доктор Лиа Винтер (Lea Winter), доцент кафедры химической и экологической инженерии этого университета.

CO2 имеется в изобилии, однако долгое время его не удавалось превращать в полезные продукты в больших масштабах. Причина в том, что это высокостабильная и весьма инертная молекула, которую трудно преобразовать без значительного подвода энергии. Электрокатализ считается перспективным путём: с помощью электричества и катализаторов запускаются химические реакции, превращающие CO2 в другие соединения. Однако при использовании только электрокатализа обычно удаётся получить относительно ограниченный набор простых углеродных продуктов.

Идея команды Винтер заключается в том, чтобы использовать электрокатализ в паре с плазмой. Плазму часто называют четвёртым состоянием вещества — после твёрдого, жидкого и газообразного; это высоковозбуждённый газ, в котором электроны оторваны от атомов и потому присутствуют заряженные частицы. Эти высокоэнергетические электроны способны возбуждать молекулы CO2 и ослаблять их химические связи ещё до того, как они достигнут электрокатализатора; затем катализатор использует эти активированные частицы для получения различных продуктов. По словам Винтер, плазма открывает химические пути, недоступные самому электрокатализу; получаемые таким способом многоуглеродные продукты действительно весьма полезны для многих отраслей химической промышленности, а также позволяют производить химические предшественники устойчивого авиационного топлива и могут использоваться для изготовления топлива, лекарств, растворителей и других химических веществ, которые сегодня получают из ископаемого топлива.

Сложность заключается в способе сопряжения. Плазменно-электрохимические процессы обычно зависят от водного интерфейса, а когда плазма активирует газообразный CO2, вода может погасить и нейтрализовать наиболее реакционноспособные плазменные частицы ещё до того, как они достигнут электрокатализатора. Винтер признаёт, что эффективно связать плазму с катализатором и добиться того, чтобы возбуждённые плазмой частицы действительно участвовали в каталитической реакции, долгое время оставалось трудной задачей.

Для этого учёные предложили трёхфазный интерфейс, объединяющий газообразный, жидкий и твёрдый компоненты и одновременно предотвращающий прямое взаимодействие плазмы с водой. Система опирается на газодиффузионный электрод — мембрану из того же класса материалов, что используется в антипригарной посуде, поверхность которой частично покрыта тонким слоем меди в качестве электрокатализатора; её поры достаточно велики, чтобы частицы плазмы могли проходить через них и достигать слоя электрокатализатора, где они встречаются с протонами в воде, тем самым запуская химические реакции.

По словам исследователей, этот метод позволил достичь одних из самых высоких на сегодняшний день выходов ценных спиртов, а также трёх- и четырёхулеродных продуктов, которые могут использоваться для жидкого топлива, лекарств и других ценных продуктов. Следующим шагом команды будет оптимизация катализатора и испытания альтернативных материалов. Система работает при комнатной температуре и атмосферном давлении, что может облегчить её коммерциализацию. Винтер отмечает, что это процесс, готовый к немедленному использованию: его можно включать и выключать в зависимости от наличия электроснабжения, а также напрямую использовать прерывистую возобновляемую электроэнергию, поэтому можно будет модернизировать существующие заводы, а не строить вокруг него целый новый завод.