Китайские исследователи разработали фотокатализатор, способный превращать углекислый газ в этан даже при концентрации CO₂, характерной для разбавленных промышленных потоков. Результаты опубликованы 21 августа в Nature Communications.
Фотокатализ использует энергию света для запуска химических реакций. В данном случае молекулы углекислого газа восстанавливаются — получают электроны и превращаются в более энергоёмкие соединения углерода.
Авторы разместили атомы меди и никеля на полимерном нитриде углерода. Металлы образовали связанные двойные центры со структурой N₃–Ni–Cu–N₂: атом никеля удерживается тремя атомами азота, а меди — двумя. Такая пониженная координация оставляет металлические центры более доступными для реагентов.
Оптимизированный катализатор образовывал этан со скоростью 254,3 микромоля в час на грамм материала. В пересчёте это около 7,6 миллиграмма этана в час на грамм катализатора. Одновременно в реакционной смеси появлялись монооксид углерода и метан, но этан оставался основным продуктом.
Получение соединения с двумя атомами углерода сложнее образования одноуглеродных продуктов. Для этого промежуточные частицы должны не только возникнуть на поверхности катализатора, но и соединиться связью углерод–углерод. Согласно расчётам и экспериментам авторов, соседство меди и никеля усиливало адсорбцию CO₂ и снижало энергетический барьер такого соединения.
Особенно важной стала проверка при 15-процентной концентрации углекислого газа. Многие лабораторные системы демонстрируют высокие показатели только в практически чистом CO₂, тогда как реальные выбросы дополнительно содержат азот, водяной пар и примеси, способные блокировать активные центры.
В разбавленной смеси новый материал сохранял около половины производительности, полученной при более высокой концентрации CO₂. Электронная селективность по этану составила примерно 63%. Этот показатель означает, что около 63% электронов, участвовавших в восстановительных реакциях, направлялись на образование этана, а остальные — на побочные продукты.
Авторы также сообщают об устойчивости катализатора в сложной газовой смеси и сопротивлении отравлению примесями. Связь между атомами меди и никеля помогала сохранять строение активного центра при работе. Однако лабораторная имитация дымового газа не воспроизводит всего диапазона температур, пыли, влаги и меняющегося состава выбросов реального предприятия.
Этан может использоваться как топливо и как сырьё химической промышленности. Тем не менее превращение CO₂ в углеводород само по себе ещё не доказывает сокращения выбросов. При последующем сжигании или переработке продукта связанный углерод способен вновь попасть в атмосферу.
Международное энергетическое агентство подчёркивает, что использованный CO₂ не равнозначен предотвращённому выбросу. Климатический результат зависит от источника энергии и реагентов, эффективности выделения CO₂, срока удержания углерода в продукте и того, какое традиционное сырьё он заменяет.
Новая работа пока не содержит технико-экономической оценки промышленной установки, полного анализа жизненного цикла или длительного испытания на реальных выбросах. Не определены расходы на производство катализатора, его регенерацию, подачу света, разделение газовых продуктов и подготовку дымового потока.
Поэтому исследование следует рассматривать как подтверждение нового каталитического механизма, а не как готовый способ очистки труб электростанций. Следующими этапами должны стать увеличение размеров реактора, испытания непосредственно на промышленном объекте и сравнение полученного этана с традиционным продуктом по стоимости и полному углеродному следу.
