Как CO₂ може бързо и евтино да се превърне в чисто гориво?

Екип от учени, ръководен от д-р Ки Йонг Ку от Отдела за изследвания на водорода към Корейския институт за енергийни изследвания (KIER), е създал водещ в света катализатор, способен да преобразува въглеродния диоксид (основен парников газ) в ключова съставка за производството на екологично гориво, споделя ScienceDaily.

Обратната реакция вода-газ (RWGS) е химичен процес, който превръща CO₂ в въглероден оксид (CO) и вода (H₂O). Това става чрез реакция с водород (H₂) в специален реактор. Полученият CO може да се комбинира с водород за създаване на синтез-газ – основен компонент за производството на синтетични горива като е-горива и метанол. Поради способността си да рециклира CO₂ в използваеми горивни съставки, RWGS се счита за обещаващ път към устойчиво производство на енергия.

Обикновено RWGS реакцията работи най-добре при температури над 800 °C. Катализатори на основата на никел се използват често, защото издържат на такива температури, но с времето губят своята производителност поради слепване на частиците, което пък намалява активната повърхност. Работата при по-ниски температури избягва този проблем, но води до образуване на нежелани странични продукти като метан, което намалява добива на CO.

За да направят процеса по-ефективен и достъпен, учените търсят катализатори, които остават активни при ниски температури. Екипът на KIER успя да разработи нов катализатор на основата на мед, който постига отлични резултати при едва 400 °C.

Новият катализатор от смесен оксид на мед, магнезий и желязо превъзхожда търговските медни катализатори, като произвежда CO 1.7 пъти по-бързо и с 1.5 пъти по-висок добив при 400 °C.

Медните катализатори имат предимство пред никеловите – те могат селективно да произвеждат само CO при температури под 400 °C, без да образуват метан. Но термичната стабилност на медта обикновено отслабва около тази температура, което води до слепване на частиците и загуба на активност.

За да реши този проблем, екипът на д-р Ку включва слоеста двойна хидроксидна структура (LDH) в дизайна. Тази структура съдържа тънки метални слоеве с водни молекули и аниони между тях. Чрез регулиране на съотношението и вида на металните йони, учените оптимизират физико-химичните свойства на катализатора. Добавянето на желязо и магнезий запълва празнините между медните частици, предотвратявайки слепването и подобрявайки устойчивостта на топлина.

Анализ в реално време с инфрачервена спектроскопия и тестове показват защо новият катализатор е толкова ефективен. Докато традиционните медни катализатори преобразуват CO₂ чрез междинни съединения (формати), новият материал преобразува CO₂ директно в CO на повърхността си, без странични реакции, които водят до метан или други продукти – запазвайки висока активност дори при 400 °C.

При 400 °C катализаторът постига добив на CO от 33.4% и скорост на образуване от 223.7 микромола на грам катализатор в секунда, като запазва стабилност над 100 часа непрекъсната работа. Това е 1.7 пъти по-висока скорост и 1.5 пъти по-висок добив от стандартните медни катализатори. В сравнение с платинени катализатори – които са скъпи, но активни – новият катализатор ги превъзхожда с 2.2 пъти по-бърза реакция и 1.8 пъти по-висок добив, което го нарежда сред най-ефективните катализатори за преобразуване на CO₂ в света.

„Технологията за хидрогениране на CO₂ при ниска температура е пробив, който позволява ефективно производство на CO с евтини и широко достъпни метали“, казва д-р Ки Йонг Ку. „Тя може да се приложи директно за производство на основни суровини за устойчиви синтетични горива. Продължаваме изследванията си, за да разширим приложението ѝ в реални индустриални условия и да допринесем за въглеродна неутралност и комерсиализация на устойчиви горивни технологии.“