Медный катализатор превращает углекислый газ в топливо в 1,7 раза быстрее
Новый катализатор для переработки углекислого газа обошел по производительности платину, хотя сделан из дешевых металлов.
Исследователи из Корейского института энергетических исследований, которыми руководит доктор Ки Ён Ку из отдела водородных технологий, создали новый катализатор мирового уровня. Эта разработка помогает превращать углекислый газ в полезное сырье для экологичного топлива. Речь идет об обратной реакции конверсии водяного газа.
Что это за реакция
Если просто, то в специальной емкости углекислый газ (CO₂) смешивают с водородом (H₂). В результате получается угарный газ (CO) и вода. Угарный газ вместе с остатками водорода образует синтез-газ — основу для производства синтетического топлива, например, метанола или экологичного авиационного керосина. Такое топливо называют электротопливом: его делают из «зеленого» водорода (полученного от возобновляемой энергии) и уловленного CO₂.
Обычно обратную реакцию проводят при очень высокой температуре — выше 800 °C. Для этого чаще всего используют никелевые катализаторы: они лучше других металлов переносят жар. Но есть проблема: даже никель со временем слипается в крупные комки, и катализатор перестает работать как надо. Если снизить температуру, чтобы сэкономить энергию и деньги, то начинают образовываться нежелательные побочные продукты, например метан, а нужного угарного газа получается меньше. Ученые давно искали способ сохранить активность катализатора при более низких температурах.
Корейская команда нашла неожиданное решение. Вместо никеля они взяли медь — металл дешевый и распространенный. Но у меди тоже есть слабое место: при температуре около 400 °C она теряет устойчивость, частицы слипаются, и катализатор быстро портится. Исследователи обхитрили природу. Они создали структуру, похожую на бутерброд из тонких слоев металла, между которыми вставлены молекулы воды и разные ионы. Ученые добавили железо и магний, которые заполнили пустоты между частицами меди и не дали им слипаться. Такой состав назвали медно-магниево-железным смешанным оксидным катализатором.
В итоге при 400 °C новый катализатор производит угарный газ в 1,7 раза быстрее, а выход продукта оказался в 1,5 раза выше, чем у обычных промышленных медных катализаторов. Более того, он превзошел даже драгоценные металлы вроде платины: скорость образования CO выше в 2,2 раза, а выход — в 1,8 раза. Ученые выяснили, почему так происходит. На обычных медных катализаторах углекислый газ и водород сначала превращаются в промежуточные вещества — формиаты, и только потом в угарный газ. А новый катализатор работает напрямую: на его поверхности CO₂ сразу становится CO, без лишних шагов и без метановых примесей. Это и позволяет ему оставаться активным при 400 °C. Установка проработала стабильно больше ста часов, показывая выход угарного газа 33,4% и скорость образования 223,7 микромоль на грамм катализатора в секунду.
Подробности опубликованы в издании Applied Catalysis B: Environmental and Energy.
Руководитель исследования доктор Ки Ён Ку говорит:
Наша технология низкотемпературного гидрирования CO₂ — это прорыв. Мы можем эффективно получать угарный газ из дешевых и распространенных металлов. Это прямое применение для производства устойчивого синтетического топлива. Дальше будем доводить разработку до реальных заводов, чтобы помочь углеродной нейтральности.
Краткий анализ стоимости и доступности
Медь, железо и магний — одни из самых дешевых металлов на рынке. В отличие от платины, палладия или даже никеля (который тоже стоит дороже меди), новый катализатор не требует редких или дорогих компонентов. Это делает технологию очень доступной для промышленности.
Стоимость производства такого катализатора вряд ли будет значительно выше, чем у обычной медной фольги или оксидных смесей. Для рядовых потребителей это означает, что экологичное топливо в перспективе не будет «золотым» из-за дорогого катализатора.
Что было до этого и насколько велик шаг вперед
Раньше инженеры упирались в потолок: никелевые катализаторы работали только при адской жаре, а медь при 400 °C быстро умирала из-за слипания частиц. Многие пытались легировать медь разными добавками, но никто не додумался использовать слоистую структуру с железом и магнием именно для механической «распорки» частиц. Это серьезное улучшение: в 1,5–2,2 раза лучше, чем у лучших аналогов, включая драгметаллы. Однако называть это полной революцией пока рано — технология не меняет физику процесса, а лишь оптимизирует уже известный подход.
Этичность и возможный вред
Разработка этична вдвойне.
- Во-первых, она нацелена на сокращение выбросов парниковых газов.
- Во-вторых, в ней не используются редкоземельные или токсичные металлы вроде кадмия или ртути.
Но есть скрытый вред. Угарный газ, который получают с помощью катализатора, — это ядовитое вещество. Любая промышленная установка с таким катализатором потребует строжайших мер безопасности, чтобы исключить утечки. Кроме того, синтез-газ и электротопливо все равно при сжигании дают выбросы, просто они «замкнуты» в цикле. А если
Когда новую разработку можно будет испытать
Испытать на себе результат разработки можно будет не раньше, чем через 5–7 лет, если появятся первые заводы по производству синтетического топлива. В лучшем случае к 2030–2032 году на каких-нибудь заправках в Европе или Корее появится «углеродно-нейтральный» бензин или керосин, сделанный с помощью этого катализатора.
Сравнение с аналогами
| Параметр | Новый катализатор (Cu–Mg–Fe) | Лучший коммерческий медный катализатор | Катализатор на основе платины |
|---|---|---|---|
| Скорость образования CO (мкмоль/г·с) | 223,7 | ~131 (в 1,7 раза ниже) | ~102 (в 2,2 раза ниже) |
| Выход CO при 400 °C | 33,4% | ~22% (в 1,5 раза ниже) | ~18,5% (в 1,8 раза ниже) |
| Стоимость металлов | Низкая | Низкая | Очень высокая |
| Стабильность при 400 °C | >100 часов | Снижается из-за спекания | Высокая, но дорого |
Критика разработки
Главный подвох кроется в температуре. Да, 400 °C — это намного ниже обычных 800 °C, но для промышленности и 400 градусов — все еще очень горячо. Такая температура требует серьезных затрат энергии и специального жаропрочного оборудования. Настоящим прорывом была бы работа при 200–250 °C.
Кроме того, исследователи проверяли катализатор всего 100 часов. Для реального завода нужна стабильность в тысячи часов. За сто часов без деградации — это хорошо, но не гарантирует, что после 500 или 1000 часов медь все равно не начнет слипаться. Пока это лабораторный успех, а не готовая технология для завода.
Ранее российские ученые импортозаместили катализатор для предприятий Сибура.
