Ученые нашли способ производства экологичного авиационного топлива

Теоретический анализ работы FRR на моделях HMC. (a) Оптимизированные атомные модели катализатора ZnPc/CNT с различными промежуточными продуктами и распределение потенциальных центров адсорбции в молекуле фурфураля. (b) и (c) Расчетные схемы свободной энергии реакции по различным путям на разных металлических центрах. (b) Пути FRR и (c) пути HER. (d) Расчетное покрытие протонами и (e) и (f) результаты микрокинетического моделирования (d) HER и (e) FRR на разных металлических центрах. Автор: EES Catalysis (2025). DOI: 10.1039/D5EY00113G

Исследователи из Университета Тохоку сделали важный шаг к созданию устойчивого решения, которое может уменьшить нашу зависимость от ископаемого топлива. Их работа показывает, что использование одноатомного катализатора на основе цинка (Zn) в электрохимической реакции восстановления фурфураля (FRR) позволяет избирательно получать предшественник авиационного топлива.

Результаты исследования, опубликованные в журнале EES Catalysis, демонстрируют эффективный метод, использующий возобновляемую биомассу для создания экологически чистого топлива.

FRR позволяет получать гидрофуроин — соединение, которое привлекает внимание исследователей благодаря своей универсальности и способности формировать ключевые компоненты авиационного топлива. Однако его производство остается сложной задачей.

«Для получения гидрофуроина необходимы строго определенные условия, — поясняет профессор Хао Ли (Advanced Institute for Materials Research, WPI-AIMR). — Эффективный катализатор, правильный уровень pH, концентрация ионов и рабочий потенциал критически важны. Кроме того, существует множество побочных реакций, вызывающих экологические и технические проблемы».

Поскольку цель исследования — преобразование доступной биомассы в топливо с минимальным воздействием на окружающую среду, побочные продукты могут свести на нет все преимущества. Ученые из WPI-AIMR сосредоточились на поиске более экологичного процесса.

FRR был выбран потому, что он может работать на возобновляемых источниках энергии (в отличие от ископаемого топлива) и воде (вместо газообразного водорода). После тщательного термодинамического анализа и микрокинетического моделирования исследователи пришли к выводу, что одноатомный катализатор на основе цинка идеально подходит для избирательного гидрирования фурфураля без нежелательных побочных реакций.

Работа FRR в трехэлектродном тесте. (a) Кривые LSV, полученные в электролите с (сплошная линия) и без (пунктир) 5 мМ фурфураля. (b) Типичные кривые разряда, собранные за 20 минут. Расчетные (c) конверсия фурфураля, (d) фарадеевская эффективность (FE) и (e) селективность углеродного продукта при потенциалах от −0,5 до −0,8 VRHE на катализаторах MPc/CNT (M = Co, Cu и Zn). Автор: EES Catalysis (2025). DOI: 10.1039/D5EY00113G

Механизмы FRR на ZnPc/CNT. (a) Спектр ЭПР ZnPc/CNT, полученный после разряда при −0,6 VRHE в 0,1 М K2CO3/KHCO3 электролите (pH = 10,2) в течение 10 минут. (b) Графики Тафеля. (c) Результаты теста KIE. (d) Порядок реакции образования HF по отношению к концентрации фурфураля при разном pH. (e) Спектр ЭПР катализатора после разряда при −0,6 VRHE в 0,1 М KOH электролите (pH = 12,6) в течение 10 минут. (f) Спектры XPS N 1s катализатора до и после тестирования в 0,1 М KOH электролите. Автор: EES Catalysis (2025). DOI: 10.1039/D5EY00113G

Лабораторные испытания подтвердили, что катализатор на основе цинка, нанесенного на углеродные нанотрубки, демонстрирует высокую эффективность (фарадеевская эффективность HF превышает 95%). Эта эффективность сохранялась в широком диапазоне потенциалов. Ключевыми факторами успеха стали оптимальные концентрации фурфураля и электролита.

«Наши результаты открывают перспективный путь для борьбы с изменением климата», — говорит профессор Ли.

Подробнее: Jiaxiang Chen et al, Furfural electrovalorisation to hydrofuroin with near-unity faradaic efficiency on a single-atom zinc catalyst, EES Catalysis (2025). DOI: 10.1039/D5EY00113G

Источник: Tohoku University