Клин клином в вопросах экологии или как главный источник CO2 его же и утилизирует.

Графическое изображение того, как углекислый газ можно превратить в дизельное топливо. Источник: Университет Монаш.

Мы уже привыкли к тому, что энергию можно добыть не только с помощью водяного колеса или ядерных реакций, но ещё и из ветра, морских волн или солнечных лучей. Но так же, как к этим мыслям, мы привыкли к мечте о том, что однажды всё-таки научимся брать энергию просто из воздуха. Оно и понятно – ветров, солнечных дней и воды хватает не везде, не говоря уже о море.

Воздух же, в отличие от них, есть повсюду. А ещё, также повсеместно, в его составе имеется кое-что в угрожающе избыточном количестве. Причём концентрация этого вещества в земной атмосфере растёт ежеминутно. Конечно, речь об углекислом газе.

И вот, исследователи из Университета Монаш и Университета Хоккайдо решили создать метод преобразования углекислого газа в дизельное топливо. Забегая чуть вперёд скажем, что им это удалось: разработка вполне способна создать альтернативу жидкому горючему с так называемым нулевым показателем эффективности, повысив этим экологичность работы автомобилей.

Справедливости ради стоит отметить, что попытки получить новое топливо из СО₂ предпринимались разными странами довольно давно и неоднократно. Причём в корне своём их методы были схожи. Как объяснялось в статье 2017 года о подобной работе российских учёных, на первом этапе производится электролиз воды, разделяющий водород и кислород, возвращаемый в атмосферу. Водороду же отводится весьма интересная роль: будучи чистым и очень взрывоопасным веществом, он весьма требователен к условиям хранения. Однако второй процесс, именуемый реакцией Сабатье, несколько снимает этот вопрос: нагревая в присутствии катализатора H₂ и СО₂, учёные получали метан (CH₄) и обычную воду.

Таким образом, добавление диоксида углерода (CO₂) в операцию позволяет не только сократить чистые выбросы углекислот, но даже – пусть пока лишь потенциально – обратить их вспять. Поскольку энергия на получение всего необходимого водорода берётся из солнечного света, то и всё изготовление нового горючего становится полностью возобновляемым процессом, результатом которого является топливный продукт с нулевым выбросом углерода.

Как известно, существующая парадигма выхода из экологического кризиса прежде всего подразумевает уменьшение промышленных и бытовых выбросов веществ, разрушающих озоновый слой. Таким образом переход на возобновляемые источники энергии становится первой необходимостью и действительно способен снизить долю парниковых газов от столетнего сжигания ископаемого топлива. Этим целям и идеям подчинены многие силы и решения мало-помалу находятся. Исследование, о котором идёт речь, предлагает альтернативу дизельному топливу, которая может применяться в любой точке мира.

Акшат Танксэйл, доцент факультета химической и биологической инженерии Университета Монаша и ведущий автор работы, говорит, что оксиметиленовые эфиры (или ОМЕ – вещества, широко известные как растворители) относятся к числу альтернативных видов горючего, которые привлекают все большее внимание из-за их нулевых выбросов углерода.

Для примера: в середине прошлого десятилетия компания Форд возглавила проект подобных исследований. В нём тестировались оксиметиленовый и диметиловый эфиры (последний представляет собой нетоксичный газ, выталкивающий активное вещество из аэрозольных баллончиков). Так вот оказалось, что выхлопы двигателя на диметиловом эфире выдают немногим более 3 г/км CO₂, в то время как километр работы дизеля обходится атмосфере в 113 г загрязнений.

«OME – это дизельная смесь или заменитель топлива, по которому мы заявляем о наилучшей производительности – из известных нам – в любой точке мира, и, в связке с зелёным водородом, предлагаемый нами производственный метод может обеспечить жидкое топливо с нулевым показателем чистоты», – говорит Танксэйл.

Сегодня широко исследуется диметоксиметан (DMM), по сути являющийся смесью ДТ и OM-эфира в простейшей форме. Повышенному интересу к своей персоне он обязан уникальности характерных свойств. Помимо этого, он довольно удобен в производстве: в промышленных масштабах его можно получить двухступенчатым окислением метанола с формальдегидом на выходе, затем сочетаемым с метанолом. Однако тут есть и свои препятствия: дело в том, что сегодня и метанол, и формальдегид производятся, увы, из природного газа.

В новом же методе производство DMM происходит в одном реакторе, а сырьём для этого выступают диоксид углерода, водород и метанол. Но чтобы эта реакция стала возможной в принципе команде Monash пришлось разработать новый катализатор на основе наночастиц рутения. Дополнительным преимуществом такого решения стало то, что этому процессу ни к чему свойственные традиционным методам производства метанола и формальдегида высокие температуры. Эта энергоэффективность делает затею значительно менее энергозатратной, а значит ещё больше повышает статус её экологичности.

И всё же остаётся метанол, так что инженерам Monash есть куда стремиться, поэтому для полного замыкания углеродного цикла только на возобновляемых источниках энергии, они занимаются разработкой метода синтеза метанола из СО₂ и Н₂.

«Переработка отработанного диоксида углерода в OME – это многообещающий способ производства топлива со значительно меньшим углеродным следом. Мы рады, что смогли сотрудничать с командой Monash, чтобы лучше понять роль катализаторов в этой современной работе», – говорит доктор Абхиджит Шротри из Института катализа Университета Хоккайдо.

Важно, что критическую насущность проблемы, затрагиваемой в соответствующей статье, опубликованной в Journal of Energy Chemistry, понимает каждый отдельно взятый человек – будь он обывателем, политиком или бизнесменом. Благодаря этому недавно проект получил финансирование для дальнейших исследований в этой сфере. Теперь нужно изучить тонкости и разработать, так сказать, индустриализацию идеи; нарастить масштабы применения созданного катализатора и всего производственного процесса. Эти изыскания действительно приблизят к реальности жидкое горючее с нулевой чистотой, а значит и мечту об энергии прямо из воздуха сделают чуть менее фантастичной.

«Превращение CO₂ в топливо – один из основных путей достижения нулевого показателя в будущем, и исследователи изучают эффективные процессы для этого преобразования. В настоящее время мы сосредоточены на нескольких технологиях конверсии CO₂ для разработки масштабируемых в промышленном масштабе катализаторов и процессов. Наше сотрудничество с Университетом Монаш в разработке и расширении производства OME из CO₂, безусловно, внесёт свой вклад в разработку процесса преобразования CO₂ в топливо, которое оказывается необходимым в нынешних условиях», – говорит доктор Г. Валаварасу из Hindustan Petroleum Corporation Limited (HPCL, Индия), компании, финансирующей проект.

«В этом исследовании мы разработали уникальную структуру пор, которая может синтезировать большие молекулы вроде DMM. Размер частиц рутения, наряду с размером пор и кислотностью катализатора, чрезвычайно важен для протекания этой реакции. Точно управляя этими параметрами, мы сумели достичь наивысшей производительности DMM, представленной в литературе», – не скрывает радости доктор Вакар Ахмад, недавно защитивший на этом проекте докторскую диссертацию.

Как мы уже говорили, разработки методов повторного использования углекислого газа в качестве топлива ведутся давно и повсеместно. Амбиции первооткрывателей растут, технологии совершенствуются. Хочется верить, что мы всё-таки выправим ситуацию и сумеем-таки хоть немного компенсировать экологический урон, нанесённый нами нашей же среде обитания.

АРМК, по материалам университета Монаш