Учёные создали электрод, превращающий углекислый газ из воздуха в муравьиную кислоту

Учёные нашли способ превращать обычные углеродные выбросы в полезное химическое вещество. Фото: Shutterstock

Выхлопные газы из домашних печей, каминов и промышленных предприятий выбрасывают в воздух диоксид углерода (CO₂), способствуя загрязнению. Учёные, сообщающие в журнале ACS Energy Letters, разработали новый тип электрода, призванный решить эту проблему: он захватывает CO₂ прямо из воздуха и превращает его в полезную химикат — муравьиную кислоту. В ходе испытаний система превзошла существующие технологии электродов при воздействии имитированного дымового газа и при работе с уровнями CO₂, аналогичными тем, что содержатся в атмосфере.

«Эта работа показывает, что улавливание и преобразование углерода не обязательно рассматривать как отдельные шаги. Интегрировав обе функции в один электрод, мы демонстрируем более простой путь для утилизации CO₂ в реалистичных газовых условиях», — объясняет Вонён Чхве, один из авторов исследования.

Почему преобразование CO₂ было таким сложным

Извлечение углекислого газа из воздуха может показаться простой задачей, особенно учитывая, что растения делают это естественным образом. Более серьёзная проблема заключается в преобразовании захваченного газа во что-то полезное — шаг, который необходим для широкого внедрения технологий улавливания углерода. В реальном промышленном выхлопе CO₂ обычно смешан с другими газами, включая азот и кислород. Большинство существующих систем конверсии эффективно работают только тогда, когда углекислый газ уже отделён и сконцентрирован, что ограничивает их практичность.

Чтобы преодолеть это препятствие, Донлай Пань, Мён Хван О, Вонён Чхве и их коллеги занялись созданием системы, способной работать в реалистичных условиях. Их целью было создать устройство, способное обрабатывать дымовой газ в том виде, в каком он фактически производится, и преобразовывать даже небольшие количества захваченного CO₂ в ценный продукт.

Внутри трёхслойного электрода

Исследовательская группа разработала электрод, который позволяет газу проходить через него, улавливать углекислый газ и преобразовывать его одновременно. Устройство состоит из трёх слоёв: материала, захватывающего CO₂, листа газопроницаемой углеродной бумаги и каталитического слоя из оксида олова(IV). Вместе эти компоненты обеспечивают прямое преобразование газообразного диоксида углерода в муравьиную кислоту.

Муравьиная кислота — важный химикат, используемый в ряде применений, включая топливные элементы и другие промышленные процессы. Её прямое производство из выхлопных газов может сделать повторное использование углерода более практичным и экономически эффективным.

Впечатляющие результаты в реальных условиях

При испытании с чистым газом CO₂ новый электрод показал примерно на 40% более высокую эффективность, чем существующие электроды для преобразования углерода в аналогичных лабораторных условиях. Преимущество стало ещё более очевидным, когда исследователи использовали имитированный дымовой газ, содержащий 15% CO₂, 8% кислорода и 77% азота. В этих условиях новая система продолжала генерировать значительное количество муравьиной кислоты, в то время как другие технологии производили её очень мало.

Электрод также доказал свою способность захватывать диоксид углерода при концентрациях, аналогичных содержащимся в атмосфере, что показывает его функциональность в окружающем воздухе. По словам исследователей, этот подход предлагает многообещающий путь к интеграции улавливания углерода в реальные промышленные применения. Они также предполагают, что аналогичные конструкции в конечном итоге могут быть адаптированы для захвата и преобразования других парниковых газов, включая метан.

Авторы отмечают финансирование со стороны Национального исследовательского фонда Кореи.

Источники: sciencedaily.com, материалы предоставлены Американским химическим обществом.

Интересный факт: Муравьиная кислота, которую можно получить по новой технологии, не только используется в промышленности, но и является природным веществом: её в качестве защитного механизма вырабатывают некоторые виды муравьёв и крапива. В перспективе подобные технологии «углеродного ресайклинга» могут стать важной частью экономики замкнутого цикла, превращая проблемные выбросы в сырьё для производства топлива, пластмасс или удобрений.