Учени откриха нов начин за получаване на въглерод-неутрални горива от CO2

Въглерод-неутралната повторна употреба на въглеродния диоксид се появява като алтернатива на съхранението на парниковия газ в подземни хранилища. В ново изследване, публикувано в сп. Nature Energy, учени от Станфордския университет и Датския технически университет (DTU), показват как електрическа енергия и разпространен в природата катализатор могат да превърнат CO2 в енергийно обогатен въглероден оксид с по-висока ефективност от конвенционалните методи. Катализаторът – цериев оксид, е много по-устойчив на разлагане.

Отстраняването на кислород от CO2 за получаване на CO е първата стъпка от превръщането на въглеродния диоксид в почти всеки вид течно гориво и други продукти, например синтетичен газ или пластмаси. Чрез добавянето на водород към CO могат да се произвеждат горива като синтетичен дизел и еквивалента на авиационно гориво. Екипът предвижда използването на възобновяема енергия за получаването на CO и осъществяване на последващите конверсии, което ще доведе до създаването на въглерод-неутрални продукти.

“Показахме, че можем да използваме електричество за редукция на CO2 до CO със 100% селективност и без да получаваме като нежелан страничен продукт твърд въглерод”, казва Уилям Чуех, доцент по материалознание и инженерство в Станфорд и един от тримата водещи автори на статията.

Едно от предимствата на устойчивите течни горива пред електрификацията на транспорта е това, че позволяват използването на съществуващата инфраструктура за бензин и дизел като двигатели, тръбопроводи и бензиностанции. В допълнение, факторите, възпрепятстващи електрифицирането на самолети и кораби – пътуването на дълги разстояния и теглото на батериите, няма да са проблем за въглерод-неутралните горива с висока енергийна плътност.

Изкуственото електрохимично преобразуване на CO2 до CO все още не е широко комерсиализирано поради няколко проблема – използваните устройства консумират твърде много електроенергия, процентът на конвертирани молекули въглероден диоксид е нисък и се получава чист въглерод, който трайно уврежда оборудването. Затова изследователите първо проучват как различните устройства се справят успешно или се провалят в електролизата на CO2. На база техните наблюдения те създават две тестови клетки за конверсия на CO2 – една с цериев оксид и една с конвенционален никел-базиран катализатор. Електродът от цериев оксид остава стабилен, докато отлагания от въглерод повреждат никеловия електрод, съществено скъсявайки продължителността на живот на катализатора.

Елиминирането на преждевременното повреждане на клетките може значително да понижи разходите за производство на CO. Потискането на отлагането на въглерод позволява на новия тип устройство да преобразува повече CO2 до CO, като в съвременните клетки това е ограничено до доста под 50% концентрация на CO.
“Въглерод-потискащият механизъм на цериевия оксид се основава на задържане на въглерода в стабилна окислена форма. Успяхме да обясним това поведение с изчислителни модели на редуцирането на CO2 при повишена температура, което беше потвърдено и от рентгенова фотоелектронна спектроскопия на работещата клетка”, обяснява Михал Байдих, водещ автор на публикацията.

Високите разходи за улавянето на CO2 възпрепятстват секвестрацията му под земята в големи мащаби и поради това могат да са пречка и за използването му за получаване на по-устойчиви горива и химикали. Пазарната цена на тези продукти, в комбинация с плащанията за избягване на въглеродните емисии, могат да спомогнат за по-бързото преодоляване на тази бариера.

Учените се надяват, че първоначалната им работа за разкриване на механизмите в устройствата за електролиза на CO2 чрез спектроскопия и моделиране ще помогне на други изследователи в регулирането на свойствата на повърхността на цериевия и други оксиди с цел допълнително подобрение на процеса на получаване на CO.