Новый катализатор снижает затраты энергии на превращение CO₂ в этилен

Доцент Лум Янвэй (слева) и Ян Цинь (справа), первый автор исследования, держат образец разработанного ими катализатора. Автор: College of Design and Engineering at NUS

Новый метод превращения углекислого газа (CO₂) в этилен с использованием значительно меньшего количества энергии, чем существующие подходы, может помочь сократить выбросы в одном из самых углеродоемких производственных процессов в мире.

Катализатор, лежащий в основе этого прорыва, стал результатом исследований, проведенных доцентом Лум Янвэем из Департамента химической и биомолекулярной инженерии Национального университета Сингапура (NUS).

Его команда разработала материал на основе меди, усиленный небольшими количествами кобальта, которые добавляются чуть ниже поверхности катализатора. Эти добавки изменяют поведение меди во время реакции, позволяя более эффективно и с меньшими энергозатратами превращать CO₂ в этилен.

«Внося точные изменения на атомном уровне, мы смогли изменить наиболее энергозатратный этап реакции, что сделало весь процесс гораздо эффективнее», — пояснил доцент Лум. «Это делает метод гораздо более практичным для промышленного применения».

Исследование команды было опубликовано в журнале Nature Synthesis.

Этилен — ключевое сырье для производства пластиков, упаковки, текстиля и многих других повседневных товаров, а также один из самых массово производимых химикатов в мире. Однако в настоящее время большая часть этилена производится методом парового крекинга, который требует нагрева ископаемого топлива до экстремально высоких температур и сопровождается значительными выбросами CO₂.

При использовании доступной возобновляемой электроэнергии катализатор может производить этилен по стоимости, сопоставимой с традиционными методами на основе ископаемого топлива. Автор: College of Design and Engineering at NUS

Новый катализатор был протестирован в устройстве, известном как мембранный электродный узел — компактной многослойной системе, объединяющей реагенты, катализатор и электрический ток в строго контролируемой среде. Такая конструкция обеспечивает эффективный поток газа и разделение продуктов, что широко используется в электрохимических технологиях, разрабатываемых для промышленности.

По словам исследователей, система показала высокую производительность этилена с энергоэффективностью более 25% и оставалась стабильной в течение 140 часов непрерывной работы.

«Мы также продемонстрировали, что катализатор хорошо работает с CO₂ низкой чистоты, например, из промышленных дымовых газов», — отметил доцент Лум. «Это повышает его потенциал для реального применения».

Исследователи с ультразвуковым распылительным покрытием, используемым для нанесения катализатора на электрод. Автор: College of Design and Engineering at NUS

Открытие основано на предыдущих исследованиях доцента Лума, изучавших поведение атомов водорода при преобразовании CO₂. Эта фундаментальная работа помогла выявить ключевые ограничения реакции и повлияла на дизайн нового катализатора.

Экономический анализ показал, что при использовании доступной возобновляемой электроэнергии процесс может производить этилен по стоимости, сопоставимой с традиционными методами. Это особенно важно, учитывая растущий глобальный спрос на этилен и необходимость сокращения углеродного следа его производства.

Дополнительная информация: Qin Yang et al, Ethylene electrosynthesis at low voltages enabled by dopant-induced modulation of the rate-determining step, Nature Synthesis (2025). DOI: 10.1038/s44160-025-00850-3