Улавливание и преобразование CO2: новый прорыв

Исследователи в области энергетики десятилетиями разрабатывают перспективные решения для ограничения выбросов парниковых газов и более устойчивого получения видов топлива и химических веществ. К таким решениям относятся технологии улавливания углерода и электролизеры – устройства, способные улавливать диоксид углерода (CO2) и преобразовывать его в ценные продукты, такие как угарный газ (CO), метанол (CH₃OH), метан (CH₄) и другие соединения.

Некоторые недавно предложенные методы преобразования CO2 в топливо или промышленные реагенты демонстрируют обнадеживающие результаты. Однако большинство этих устройств требуют предварительной очистки CO2, что снижает их эффективность и увеличивает стоимость, препятствуя широкомасштабному внедрению.

Альтернативный метод, известный как реактивное улавливание CO2, может оказаться более эффективным и масштабируемым. Он объединяет процессы улавливания и преобразования CO2 в один этап, используя соединения, содержащие азот (аминовые абсорбенты), для прямого преобразования уловленного CO2 в целевые продукты посредством электрохимических реакций.

Команда ученых из Университета RMIT, Университета Окленда и других институтов провела исследование, направленное на оценку эффективности различных аминовых абсорбентов для реактивного улавливания CO2. Их работа, опубликованная в журнале Nature Energy, предполагает, что циклический амин пиперазин превосходит другие амины, повышая энергоэффективность процессов реактивного улавливания CO2.

«Преобразование CO2 в ценные продукты представляет собой перспективный путь для сокращения выбросов в различных отраслях промышленности», — пишут Пэн Ли, Ю Мао и их коллеги в своей статье. «Однако традиционные методы, включая последовательный электролиз CO2 или реакцию обратного водяного газа, зависят от энергоемкой очистки CO2. В то время как новые стратегии реактивного улавливания CO2 по-прежнему сталкиваются с проблемами в разработке оптимальных компонентов системы, которые обеспечивают эффективную электрохимическую регенерацию без ущерба для каталитических характеристик.

«Мы систематически исследовали обширную библиотеку аминовых абсорбентов, чтобы разработать принципы проектирования для тандемного аминного скруббинга и электролиза CO2», — добавляют исследователи.

В рамках своего исследования Ли, Мао и их коллеги использовали ряд аминовых химикатов для улавливания CO2 и его преобразования в CO. Они обнаружили, что пиперазин оказался наиболее эффективным для реактивного улавливания CO2, продемонстрировав одну из самых высоких энергоэффективностей, зарегистрированных на сегодняшний день.

«Мы определили пиперазин как оптимальную среду для улавливания и показали, что его карбаматная форма может быть напрямую восстановлена с использованием однoатомного катализатора на основе никеля», — пишут авторы. «Этот нейтральный по заряду промежуточный продукт способствует спонтанному адсорбции, быстрому транспорту и эффективному расщеплению C–N связи, что обеспечивает стабильное производство монооксида углерода наряду с регенерацией амина in situ. Процесс достигает энергоэффективности около 48,8 ГДж на тонну CO, предлагая масштабируемый и энергоэффективный путь к углеродно-нейтральному химическому сырью».

Пиперазин, выявленный исследователями амин, способен автоматически регенерироваться, что может снизить отходы и затраты, связанные с реактивным улавливанием CO2. Другие исследовательские группы могут вскоре вдохновиться выводами команды и приступить к дальнейшему изучению потенциала пиперазина для улавливания и прямого преобразования CO2 в CO как в лабораторных, так и в реальных условиях. В будущем недавняя работа Ли, Мао и их коллег может способствовать надежному широкомасштабному внедрению устройств для реактивного улавливания CO2.