Возможности химического восстановления углекислого газа

В рамках идущей темнедели незнания я бы хотел немного рассказать о возможности химического восстановления углекислого газа. Идея, в сущности, тупа как пробка: если мы можем сжигать органику до углекислого газа, то что мешает, наоборот, делать органику из того же самого углекислого газа?

На данный момент химическое связывание CO2 реализовано всего в нескольких процессах: синтеза мочевины (удобрение), салициловой кислоты (дальше из нее делают аспирин, фармацевтика) и поликарбонатов (пластики).

Коньцептуально чего хотят добиться: углекислый газ собирается либо на выходе из электростанции, либо из атмосферы, и вместо закапывания в землю в виде карбонатов запускается в какой-либо технологический процесс. На выходе либо жидкое топливо, либо простые продукты химической промышленности. В отдаленном светлом будущем хотят научиться замкнуть органический синтез вместо ископаемого всякого именно на углекислый газ. В случае с топливом – по сути, мы храним полученную каким-то образом энергию (атом, ГЭС, солнце, ветер) в химических связях продукта.

Возможны три варианта подачи энергии в реакцию: химический, электрохимический и фотоэлектрохимический. Для реакции же необходим катализатор – вещество, ускоряющее химическую реакцию.

В случае с химическим подходом – мы получаем где-то еще водород (например, электролизом за счет АЭС) и проводим реакцию водорода с углекислым газом. На выходе либо спирты, либо углеводороды. Синтез метанола CH3OH или же синтез-газа – смеси угарного газа CO с водородом – уже доехал до стадии опытно-промышленных испытаний. Дальше из синтез-газа можно теоретически получать жидкие топлива по Фишеру-Тропшу, это древняя технология получения таких продуктов. Другие исследуемые возможности – получение диметилового эфира CH3OCH3, этанола C2H5OH и муравьиной кислоты HCOOH.

Фотоэлектрохимическое связывание углекислого газа – это очень красивая идея. Так называемое “искусственное дерево” – слой наноструктурированного диоксида титана TiO2 на пористом титане. При освещении такая штука одновременно разлагает воду и восстанавливает углекислый газ. Однако на выходе смесь органики, которую надо как-то делить, что не позволяет идее выйти из лабораторий.

Электрохимически (путем приложения электрического тока к электроду в содержащем углекислый газ растворе) умеют получать на уровне лабораторий угарный газ CO, муравьиную кислоту HCOOH, щавелевую кислоту H2C2O4, формальдегид H2CO, метанол CH3OH, метан CH4, этан C2H6, этанол C2H5OH.

Однако до реализации прекрасных хотелок по синтезу органики без привязки к нефти осталось преодолеть море проблем: низкую скорость процесса, низкий КПД и, соответственно, высокий расход энергии, чудовищно низкую селективность, из-за которой на выходе традиционно образуется смесь различных продуктов, и низкую стабильность катализаторов – меньше чем за 100 часов работы они успешно помирают и требуют замены.

Высокая селективность пока что воспроизводимо найдена для получения муравьиной кислоты на электродах из таких металлов, как олово, свинец или ртуть. Однако стабильность системы и использование тяжелых металлов не позволяют уходить этому в промышленность. Попытки перейти к медным электродам успехом так и не увенчались, в поисках других альтернатив уже перебрали все металлы из таблицы Менделеева и их сплавы.

Проблема со стабильностью работы таких систем связана с двумя вещами. Во-первых, одним из побочных продуктов может быть углерод, покрывающий поверхность катализатора и убивающий его. Во-вторых, процесс очень чувствителен к примесям переходных металлов (ага, железа) в подаваемой воде.

На данный момент катастрофически не хватает исследований даже на фундаментальном уровне: по изучению механизмов протекающих процессов и по созданию методов таких исследований. Что пока что известно – восстанавливается именно молекула CO2, а не бикарбонат HCO3- (а после всяких улавливаний щелочами в растворе именно бикарбонат, что ведет к замедлению реакции). Первая стадия реакции дает на выходе либо муравьиную кислоту, либо угарный газ. Дальше процесс либо останавливается, либо улетает в дичайшую кашу из продуктов. Пригодиться могут и биохимические исследования механизмов фотосинтеза и ферментов, производящих CO из углекислого газа. В отличие от синтетических катализаторов, природные ферменты работают в равновесных условиях, что дает высокие КПД и большую скорость реакции. Из биохимии же взята потенциально рабочая идея пользоваться несколькими катализаторами.

В плане работ на уровне технологии предсказуемо даже конь не валялся – о всяких там дизайне и оптимизации реакторов, электродов и технологических систем пока почти даже не задумывались. Разве что известно, что повышение давления и всякие там трехмерные газодиффузионные электроды, взятые из технологии топливных элементов, немного повышают КПД процесса.

Резюмируя – идея красивая и потенциально реализуемая, но работы непочатый край и на десятилетия вперед.