Як знизити вміст вуглекислого газу в атмосфері? Як розпорядитися надлишками електроенергії з поновлюваних джерел? Каталізатор з нанокристалів міді дає відповідь відразу на обидва питання.
Але проблема в тому, що молекули вуглекислого газу мають дуже низьку хімічну активність, і для того, щоб змусити їх вступати в реакції з іншими речовинами, потрібно затратити неабияку кількість енергії. Тому до цих пір всі думки і зусилля дослідників були спрямовані, в основному, на те, щоб знайти спосіб довготривалого вилучення надлишків вуглекислого газу з природного кругообігу вуглецю. Захоронити їх, скажімо, у світовому океані, акумулювати в грунті і лісах, закачати в покинуті шахти і так далі.
Дві проблеми - одне рішення
Однак тепер - завдяки роботам групи американських хіміків - перед екологами, климатологами, а заодно і енергетиками відкрилися абсолютно нові перспективи. Тому що технологія, розроблена професором Стенфордського університету Метью Кенаном (Matthew Kanan) і його колегами, не тільки дозволяє перетворити шкідливі викиди СО2 в щось корисне і навіть цінне, але й полегшує перехід від традиційної вуглеводневої енергетики до енергетики зеленою.
Адже одна з головних проблем альтернативної енергетики полягає в непостійності енерговиробництва: вітер то дме, то немає, сонце то світить, то немає, і це змушує шукати способи акумулювати надлишки енергії, виробленої в сприятливі годинник, для компенсації її нестачі в несприятливі годинник. Робота професора Кена і його колег, результати якої опубліковані в журналі Nature, вносить вагомий внесок у вирішення і цієї проблеми. Вчений пояснює: "Ідея полягає у створенні системи, в якій сонячна енергія або енергія вітру використовувалися б для підтримки електрохімічного процесу перетворення вуглекислого газу як вихідної сировини в рідке паливо ".
Каталізатор для отримання етанолу
Таким чином, вуглекислому газу знайшлося б, нарешті, гідне застосування. А надлишки енергії, одержуваної з регенеративних джерел, витрачалися б на його електроліз і акумулювалися б у образующемся при цьому рідкому пальному. "Вже сьогодні вуглекислий газ можна електрохімічним шляхом відновлювати до окису вуглецю, але це тільки перший крок, - пояснює професор Кенан. - Щоб отримати з неї вуглеводневе паливо, потрібно продовжувати процес відновлення. Так от, нам вдалося тепер знайти такий каталізатор, який дозволяє з окису вуглецю і води на наступному етапі електролізу отримати етанол ".
Той самий етанол, тобто етиловий спирт, який підмішують, наприклад, до автомобільного бензину. Правда, на заправних станціях в Німеччині частка етанолу в бензині не перевищує 10 відсотків, але, скажімо, в США чи Швеції досягає 85, а в Бразилії - навіть 100 відсотків. Так що попит на це паливо наявності.
Замість водню на катоді етанол
Чудо-каталізатор каліфорнійських вчених - це мідь, але не просто мідь, а наночастинки міді, вірніше, нанокристали. Звичайні наночастинки отримують осадженням металу з термічно розкладається газової фази, при цьому утворюється неупорядкована структура. Професор Кенан вчинив інакше: взявши за основу електрод з твердого оксиду міді, він шляхом його хімічного відновлення отримав строго впорядковане покриття з мідних нанокристалів. Електролізна осередок каліфорнійських дослідників представляє собою посудину з водою, яка постійно насичується окисом вуглецю. Якщо в посудину опустити стандартні електроди і подати на них напругу, почнеться розкладання води, на аноді буде збиратися кисень, на катоді - водень. Але використання катода з нанокристалів міді дозволило замість відновлення води до водню домогтися відновлення окису вуглецю до етанолу.
Це навіть не зажадало більш-менш високої напруги, а ефективність електролізу (так звана ефективність Фарадея) склала 57 відсотків, що більш ніж в 10 разів перевершує показник, досягнутий на звичайних мідних каталізаторах.
Механізм незрозумілий, але перспективи вражають
"Ми сподіваємося, що в ході подальшої оптимізації нашого каталізатора нам вдасться підняти ефективність процесу майже до 100 відсотків", - говорить професор Кенан.
Чому нанокристали, отримані з твердого оксиду міді, виявилися таким чудовим каталізатором, а наночастинки, обложені з газової фази, - ні, вчений поки й сам не цілком розуміє. Але це не заважає йому думати вже про подальші кроки: "Ми зробимо все, щоб якомога швидше довести наше відкриття до стадії практичного застосування. Скільки часу на це піде, сказати сьогодні неможливо. Але в кінцевому підсумку ця технологія дозволить нам витягувати вуглекислий газ з димових газів електростанцій і перетворювати його на дійсно корисний продукт замість того, щоб безглуздо закачувати, як сьогодні планується, під землю! "
