Химики из Национального университета Сингапура придумали, как заставить углекислый газ, виновника парникового эффекта, работать на нас. Они превращают его в ценное жидкое топливо — бензин или керосин для самолетов.

Ученые давно ищут эффективные способы заставить CO2 снова стать полезным энергоносителем. Это решило бы сразу две задачи: сократило вредные выбросы и дало источник экологичного топлива. Десятилетия все попытки крутились вокруг меди как главного катализатора. Медь неплохо справляется с превращением CO2 в простые вещества, вроде этилена или этанола. Но у нее есть фундаментальный недостаток: она не может собирать длинные, разветвленные цепочки молекул, которые как раз и делают топливо по-настоящему качественным и энергоемким.

Команда под руководством доцента Йе Бун Сиана из НУС пошла другим путем. Они взяли за основу не медь, а никель. Исследователи добавили в структуру никеля немного ионов фтора и применили хитрый метод — пульсирующий электролиз. Это когда электрический потенциал не подают постоянно, а включают и выключают циклами. Эти две уловки позволили им с невиданной точностью управлять реакцией. Они смогли решать, собирать ли прямые молекулы углеводородов или же создавать разветвленные. Именно разветвленные молекулы горят намного эффективнее и дают больше энергии, что идеально для машин и самолетов.

Работа велась вместе с профессором Нурией Лопес, экспертом по компьютерному моделированию из Испании, и профессором Хавьером Пересом-Рамиресом из Швейцарии, который знает о синтезе топлива все.

Их открытие опубликовали в журнале Nature Catalysis.

Исследование показало, как можно избирательно получать именно разветвленные углеводороды. Пульсирующий электролиз позволил увеличить долю разветвленных молекул (длиной от пяти атомов углерода) более чем на 400% по сравнению со стандартными методами. А добавление фтора помогло никелю сохранять нужное состояние в ходе реакции, что критично для сборки длинных цепочек.

Почему же медь, которую изучали и улучшали десять лет, не справляется? Ключ в понимании разницы на молекулярном уровне. Никель способствует отрыву кислорода от промежуточных продуктов и любит соединять частицы асимметрично. А медь, наоборот, склонна превращать эти частицы в спирты, что обрывает рост углеродной цепочки. Из-за этого на никеле нужные «кирпичики» охотнее образуются и сцепляются друг с другом. В итоге получаются продукты, очень похожие на те, что производят традиционные промышленные методы, например, процесс Фишера — Тропша.

Наша работа объединила знания в синтезе катализаторов, механистических исследованиях и компьютерном моделировании, — говорит доцент Йео. — Это позволило раскрыть новые механизмы и стратегии преобразования CO2 в длинноцепочечные углеводороды. Без тесного сотрудничества экспериментаторов и теоретиков ничего бы не вышло.

Ключевое достижение в том, — добавляет исследователь команды доктор Оу Йинцин, — что мы наконец поняли, почему медь, несмотря на все усилия ученых за последние десять лет, не может производить значительное количество длинных углеводородов в отличие от никеля.

Значение этого исследования глубже, чем просто фундаментальное понимание химических процессов. Разработав способ точно управлять структурой углеводородов из CO2 с помощью электричества, ученые открыли новые пути для создания экологичного авиационного топлива и химических прекурсоров буквально по запросу. Такие прорывы крайне важны для глобального перехода к чистым технологиям.

Реальная польза этого исследования носит стратегический характер. Оно предлагает не просто еще один способ утилизации CO2, а инструмент для создания замкнутого углеродного цикла в энергоемких отраслях, которые сложно обезуглеродить, — прежде всего, в авиации и морских перевозках. В отличие от водорода, устойчивые авиационные топлива (SAF) на основе углеводородов не требуют полного пересмотра инфраструктуры заправки и хранения, а также конструкции двигателей. Это исследование — шаг к производству «капельного» биозамещающего топлива с заданными свойствами (например, с высоким цетановым или октановым числом) непосредственно из CO2, что может радикально сократить углеродный след транспорта. В перспективе это может привести к созданию распределенных установок на предприятиях с большими выбросами CO2, где отходы сразу на месте превращаются в ценный продукт.

Основное замечание лежит в плоскости экономики и масштабируемости технологии. В статье ничего не сказано о ключевых для практического применения показателях:

1. Энергоэффективность процесса: Каков КПД конверсии электроэнергии в химическую энергию топлива? Электролиз требует огромных затрат энергии. Если для работы установки нужно сжечь больше угля на электростанции, чем будет сэкономлено благодаря полученному топливу, то вся экологическая польза сводится на нет.
2. Стабильность катализатора: Никелевые катализаторы, особенно в условиях пульсирующего потенциала, могут быстро деградировать из-за спекания, загрязнения или изменения структуры. В статье не указано, как долго катализатор сохранял свою активность и селективность в ходе длительных испытаний.
3. Скорость реакции (плотность тока): Даже при высокой селективности, если процесс идет очень медленно, для его промышленного внедрения потребуются гигантские и дорогие реакторы, что сделает получаемое топливо неконкурентоспособным по цене.

Ранее российские ученые придумали, как превратить парниковые газы в полезное вещество.