Замыкание углеродного цикла за счет производства экологически чистого пропана

Научная технология

За последние три столетия, особенно после промышленной революции конца 18 и 19 веков, деятельность человека привела к значительному повышению уровня парниковых газов в атмосфере Земли. Основными виновниками являются потребление ископаемого топлива, промышленные процессы, вырубка лесов и утилизация отходов.

В ответ Соединенные Штаты стремятся к 2030 году сократить выбросы парниковых газов на 50–52% по сравнению с уровнями 2005 года. Эта инициатива согласуется с глобальными усилиями по достижению нулевых выбросов парниковых газов к 2050 году. половину выбросов углекислого газа (CO2) в США, поиск решений в этих областях является обязательным.

Теперь в статье, опубликованной в журнале Nature Energy, исследователи из Университета Пенсильвании, Технологического института Иллинойса и Университета Иллинойса в Чикаго разработали систему, которая может преобразовывать выбросы CO2 в пропан (C3H8), более чистый и более энергоемкий газ. плотный источник топлива.

«Электрохимическая конверсия CO2 может удовлетворить будущие энергетические потребности, сохраняя возобновляемую энергию и замыкая антропогенный углеродный цикл», — говорит соавтор Эндрю Рапп из Школы искусств и наук Пенсильванского университета. «Это исследование прокладывает путь к новым решениям, которые решат проблемы хранения энергии и значительно снизят уровень CO2».

«Создание возобновляемой химической продукции действительно важно», — говорит соавтор Мохаммад Асади из Технологического института Иллинойса. «Это лучший способ замкнуть углеродный цикл без потери химикатов, которые мы сейчас используем ежедневно».

Медь традиционно была основным элементом для исследователей, исследующих эффективные способы преобразования CO2 в ценные химические вещества и топливо, чтобы ограничить его воздействие на окружающую среду и предоставить новые решения для хранения энергии. Однако производимое топливо представляло собой одноуглеродные соединения с низкой энергетической плотностью, такие как метан.

«Получение энергоемких многоуглеродных продуктов, таких как C3H8, остается сложной задачей из-за множества промежуточных продуктов, образующихся в процессе химической конверсии», — объясняет Чжэнь Цзян, соавтор статьи и бывший научный сотрудник The Rappe Group. «Кроме того, большинство стратегий повышения селективности материала по отношению к многоуглеродным молекулам, как правило, являются энергетически дорогостоящими».

Цзян говорит, что команда искала способы выйти за рамки существующих катализаторов, таких как медь, с их скромной селективностью в отношении многоуглеродных продуктов или их вялой кинетикой, и исследовала способы добавления ионной жидкости (ИЛ) в каталитическую систему. Это побудило команду рассмотреть тримолибденфосфид (Mo3P) в качестве каталитического материала.

«Основываясь на нашем теоретическом моделировании, мы обнаружили, что слой IL может усиливать прилипание CO2 и последующих групп во время реакции к поверхности катализатора Mo3P, тем самым стабилизируя промежуточные продукты в разных местах на поверхности, образуя C3H8 с беспрецедентной эффективностью 91%. », — говорит Цзян.

Команда также отмечает, что это ключевое открытие привело к новой парадигме изучения взаимоотношений между материалами в электрокаталитических системах.

«Обычно твердотельный катализатор и водный раствор, который связывает перенос ионов на протяжении всей реакции, действовали с меньшим взаимным продвижением на границе раздела», — говорит Цзян. «Но теперь мы можем применить гибридный подход с помощью таких методов, как покрытие IL на твердотельных катализаторах, и пересмотреть ранее опробованные системы с нашим новым пониманием микроокружения катализатора».

Заглядывая в будущее, исследователи планируют развивать это исследование двумя способами: во-первых, разработать каталог ионных жидкостей и их эффективности в топливных катализаторах и других электрохимических системах; и, во-вторых, исследовать новые катализаторы для преобразования CO2 в более энергоемкие источники топлива — от топливного газа до легкой нефти с большим количеством атомов углерода.

Раппе говорит: «Распространение этого исследования на более тяжелые углеводороды может замкнуть углеродный цикл за счет создания природного газа, пропана, бензина и даже топлива для реактивных двигателей непосредственно из CO2, образовавшегося в результате предыдущего сгорания топлива. Таким образом, одни и те же атомы углерода снова и снова накапливают энергию, и мы не выделяем ее в атмосферу».