Электробиодизель: 45-кратное превосходство.

Электрокатализ и солнечная энергия превращают углекислый газ в промежуточные соединения, которые затем преобразуются микробами в липиды и в итоге становятся сырьём для эффективного электробиодизеля. Источник.

Транспортные средства большой грузоподъёмности, тяжёлая горнодобывающая и металлургическая промышленность, судоходство, строительство и другие отрасли в значительной степени зависят от топлива с высокой плотностью энергии, которое не может быть заменено электромобилями. Речь о дизельном горючем. Биоуголь может восполнить этот пробел лишь частично, однако и его производительность ограничена низкой эффективностью фотосинтеза.

По данным Управления энергетической информации, независимого агентства в составе федеральной статистической системы США, в 2022 году по всей стране на дизельное топливо пришлось около четверти транспортных выбросов CO₂ и около десятой части всех выбросов, обусловленных энергетической системой. При этом, несмотря на все инженерные успехи и достижения, сокращение как самих выбросов, так и использования этого вида горючего остаются задачами не из простых.

Например, с помощью биодизеля значительно сократить потребление дизтоплива просто невозможно, особенно учитывая значительные площади, необходимые для его производства. Точно так же проблему усугубляет фундаментальный предел наших сегодняшних возможностей по эффективному использованию возобновляемых источников энергии. Словом, для производства всего необходимого в условиях ограниченных природных ресурсов, существующие инновации вроде био- или электротоплива имеют ограничения по эффективности и характеристикам продукта. 

Тем временем эффективное и устойчивое производство энергии необходимо для смягчения практически любых последствий изменения климата. Глобальный вопрос энергетической безопасности влияет на всё: от экономической и производственной областей до политики и сферы здравоохранения.

Профессора Джошуа Юань из Вашингтонского университета в Сент-Луисе и Сьюзи Дай из Университета Миссури, вместе с коллегами из Техасского университета A&M, применили электрокатализ углекислого газа для создания электробиодизельной смеси, которая в 45 раз эффективнее и использует в 45 раз меньше земли, чем производство биодизеля на основе сои.

Результаты их работы опубликованы в Joule.

«Эта новая идея может быть применена в экономике замкнутого цикла для изготовлению топлива, химикатов, материалов и пищевых ингредиентов с гораздо более высокой эффективностью, чем фотосинтез, и с меньшим количеством выбросов углерода, чем нефтехимическая промышленность, — рассказывает профессор Юань, заведующий кафедрой энергетики, окружающей среды и химической инженерии в Инженерной школе Маккелви. — Мы системно подошли к решению проблем в области электробиопроизводства, определив метаболические и биохимические ограничения использования двухатомного углерода, и преодолели эти ограничения».

Проработка нюансов вылилась в трёхэтапный метод изготовления биотоплива. Сперва посредством электрокатализа, команда добилась преобразования углекислотыв биосовместимые промежуточные продукты. Затем получившиеся вследствие переноса электронов между реагентами и поверхностью катализаторов вещества (вроде ацетата и этанола) были скормлены микроорганизмам, переработавшим их в липиды (жиры, жирные кислоты и жироподобные вещества, содержащиеся во всех живых клетках). И наконец уже эти липиды стали отличным сырьём для «экодизеля».

Этот сложный процесс, объединивший микробиологию и электрохимию, позволил преобразовывать солнечную энергию в молекулы с эффективностью 4,5%. Профессор Юань поясняет, что при создании обычного биодизеля переработка углекислого газа в липиды посредством солнечного света даётся куда труднее, хотя этот источник используется не только в процессе синтеза топлива. Так, природный фотосинтез наземных растений, используемых в качестве сырья, обычно составляет менее 1%. Другими словами, менее 1% энергии солнечных лучей преобразуется в растительную биомассу путём преобразования CO₂ в различные молекулы для роста растений.

«Количество энергии, затрачиваемой на получение предшественника биодизеля, липида, ещё меньше, поскольку липид обладает высокой энергетической плотностью, — уточняет учёный. — Процесс же получения электробиодизеля, напротив, может преобразовывать 4,5% солнечной энергии в липиды, когда солнечная панель используется для выработки электроэнергии, необходимой для электрокатализа, что намного выше, чем естественный процесс фотосинтеза».

Получить такой эффект у команды получилось благодаря собственной разработке нового катализатора на основе цинка и меди, позволившего значительно ускорить электрохимическую реакцию. Его преимущество заключается в способности производить двухатомные промежуточные соединения углерода, которые очень по вкусу определённому модифицированному штамму бактерий Rhodococcus jostii (RHA1), известных как раз тем, что они вырабатывают много липидов. Кроме того, этот штамм также повышает метаболический потенциал этанола, что может способствовать преобразованию ацетата, промежуточного соединения, в жирную кислоту.

Исследование влияния нового процесса на изменение климата дало обнадёживающие результаты. Выпуск электробиодизеля позволяет сократить выбросы диоксида углерода на 1,57 грамма на грамм смеси из побочных продуктов биомассы. Для сравнения: при производстве дизтоплива из нефти образуется 0,52 грамма CO₂ на грамм горючего, а при выработке биодизеля — от 2,5 до почти 10 граммов на грамм полученных липидов. Таким образом, использование возобновляемых ресурсов для электрокатализа пусть и не решает проблему загрязнения воздуха углекислым газом, но всё-таки потенциально способно сокращать выбросы.

«Это исследование доказывает концепцию создания широкой платформы для высокоэффективного преобразования возобновляемой энергии в химикаты, топливо и материалы для преодоления фундаментальных ограничений человеческой цивилизации, — подытожил Юань. — Этот процесс может решить проблему нехватки сырья для биодизеля и расширить роль возобновляемого топлива, химикатов и материалов, обеспечив независимость от ископаемого топлива в зависящих от него отраслях — таких, как дальнобойные большегрузы и самолёты».

АРМК, по материалам Вашингтонского университета в Сент-Луисе.