Использование солнечной и ветровой энергии для производства углеводородного топлива может показаться противоречивым в контексте глобальных экологических целей. Однако, если учесть, что исходным сырьем служит углекислый газ, извлекаемый из атмосферы, такая концепция приобретает все более и более привлекательный экологический аспект. В настоящий момент технологии, позволяющие реализовать данную идею на промышленном уровне с экономической эффективностью, отсутствуют. Тем не менее, недавно опубликованные научные работы внушают оптимизм, свидетельствуя о том, что первый шаг в этом направлении уже сделан. Важно подчеркнуть, что выделение CO2 не является самоцелью; его основное назначение – служить основой для создания топлива с нулевым уровнем выбросов углерода.
Команда инженеров из Чикагского университета разработала новый тип солнечных батарей, способных преобразовывать атмосферный диоксид углерода в функциональное углеводородное топливо исключительно за счет солнечной энергии. В недавней публикации в журнале “Science” инженер Амин Салехи-Ходжин и его коллеги представили свою систему, которая конвертирует CO2 в топливо с затратами, сопоставимыми с производством бензина.
«Вместо производства невозобновляемой энергии в ходе разрушительного однонаправленного процесса, начиная с ископаемых топливных ресурсов до парниковых газов, мы можем сегодня развернуть этот процесс вспять и начать преобразование атмосферного углерода в топливо за счет использования солнечной энергии», отметил Салехи-Ходжин в заявлении для прессы.
Для реализации своего замысла инженеры использовали фотосинтетический элемент, который не следует путать с обычным фотогальваническим элементом. Суть в том, что вместо преобразования солнечной энергии в электрическую, а затем аккумулирования этой энергии в батареях, новое устройство преобразует атмосферный углекислый газ непосредственно в топливо. В сущности, оно выполняет ту же работу, которую в природе делают растения. Однако, вместо преобразования топлива в сахар, эти «искусственные листья» производят синтетический газ или «сингаз», который представляет собой смесь водорода и монооксида углерода. Этот газ, произведенный за счет солнечной энергии, может быть подвергнут прямому сжиганию, или преобразован в другие формы топлива, например, дизельное.
Для увеличения эффективности процесса, исследователи применили группу нано-структурных химических соединений, известных как дихалькогениды металлов переходного ряда. Эти соединения играют роль активных катализаторов, расщепляющих молекулярные связи углекислого газа. Эксперименты показали, что новый катализатор в 1000 раз более эффективен по сравнению с обычными катализаторами, и к тому же он почти в 20 раз дешевле.
В будущем солнечные фермы смогут использовать тысячи подобных «искусственных листьев», которые, вдобавок к производству топлива, будут также удалять существенное количество избыточного углекислого газа из атмосферы. Исследователи заявляют, что их система может также работать в миниатюрном варианте, и даже оказаться применимой на Марсе, где атмосфера представлена в основном углекислым газом.
Чтобы достичь своей цели, ученые применяли в работе дихалькогениды переходных металлов. В результате им удалось создать солнечную батарею, состоящую из двух кремниевых фотогальванических элементов. При освещении в 100 Вт на квадратный метр внутри системы начиналась химическая реакция, в результате которой водород и окись углерода могут быть добыты с катода солнечной батареи. Эта реакция является очень дешевым и простым способом добычи веществ для создания дизельного или другого углеводородного топлива.
По словам команды разработчиков, солнечная батарея может быть адаптирована к широкомасштабному использованию на солнечных фермах. Кроме того, однажды новая технология может обеспечить электроэнергией экспедиции на Марс, если там удастся найти небольшое количество воды.
Солнечная батарея американских учёных представляет собой не фотоэлектрическое, а фотосинтетическое устройство. Как известно, за миллионы лет эволюции растения и цианобактерии научились захватывать фотоны солнечного света и использовать их энергию для сборки молекул питательных веществ. С химической точки зрения этот процесс очень эффективен, но при этом растения используют лишь 1-2% энергии солнечного излучения. В последние годы учёные неоднократно пытались «улучшить» КПД растений, меняя их геном, и создать более эффективный искусственный аналог фотосинтеза.
В Чикаго этот процесс довели до логического конца, создав такой катализатор, который использует энергию света для превращения молекул СО2 и воды в угарный газ (СО) и водород, из которых можно изготовлять метанол и другие виды горючих спиртов.
Сердцем их «искусственного листа», как называют эту установку учёные, является емкость, в которой содержится катализатор – диселенид вольфрама — в виде небольших чешуек, и особая ионная жидкость – 1-этил-3-метилимидазол тетрафторборат – способствующая разложению молекул СО2 на угарный газ и кислород, и использующая часть высвобожденной энергии для разложения воды на водород и кислород.
Энергия для этой системы вырабатывается небольшим набором солнечных батарей, которые преобразуют свет в движение электронов и заставляют катализатор разделять СО2 на О и СО. По словам учёных, их «лист» начинает работать уже при обычном солнечном освещении, и не требует концентрации света, как многие другие фоторасщепители воды и углекислоты.
Учёные добились того, что их катализатор использует свыше 24% энергии света — гораздо выше, чем существующие аналоги. Такой показатель является важной вехой — он заметно выше отметки в 17% КПД, которую многие эксперты считают порогом коммерческой жизнеспособности для производства углеводородов «из воздуха», а не их извлечения из недр планеты. Благодаря этому общее КПД системы превышает 4,5%, что почти в два раза больше, чем у других «искусственных листьев».
Изобретатели считают, что подобные установки могут быть использованы для получения топлива не только на Земле, но и, к примеру, на Марсе, чья атмосфера состоит на 99% из углекислого газа. Вода на Марсе есть, и силы местного солнечного света, по их оценкам, хватит для запуска данной реакции и обеспечения первых марсианских колоний водой, кислородом, светом и теплом.
С другой стороны, не стоит ждать, что углеводороды резко подешевеют прямо завтра — главной проблемой на пути скорейшего «вторжения» этой технологии в нашу жизнь пока является то, что солнечные батареи, погруженные в раствор с катализатором, деградируют через 4-5 часов его работы. Учёным еще предстоит создать такие фотоэлементы, которые бы не разрушались под действием ионной жидкости и протекающих в ней химических процессов.
Технология преобразует CO2 в биотопливо
Ранее стало известно, что ученые разработали технологию на солнечной энергии, которая преобразует углекислый газ и воду в жидкое топливо, которое можно добавлять непосредственно в двигатель автомобиля в качестве топлива.
Исследователи из Кембриджского университета использовали силу фотосинтеза для преобразования CO2, воды и солнечного света в многоуглеродное топливо — этанол и пропанол — за один шаг. Эти виды топлива имеют высокую плотность энергии и их легко хранить или транспортировать.
В отличие от ископаемого топлива, это «солнечное» топливо производит нулевые выбросы углерода и является полностью возобновляемым, и, в отличие от большинства видов биоэтанола, оно не отвлекает сельскохозяйственные угодья от производства продуктов питания.
Хотя технология все еще находится в лабораторных масштабах, исследователи говорят, что их «искусственные листья» являются важным шагом в переходе от экономики, основанной на ископаемом топливе. Результаты опубликованы в журнале Nature Energy.
Биоэтанол рекламируется как более чистая альтернатива бензину, поскольку он производится из растений, а не из ископаемого топлива. А большинство легковых и грузовых автомобилей на дорогах сегодня работают на бензине, содержащем до 10% этанола (топливо E10). Например в США, по данным Министерства сельского хозяйства страны, почти 45% всей выращщиваемой кукурузы, используется для производства этанола.
— Биотопливо, такое как этанол, является спорной технологией, не в последнюю очередь потому, что оно «занимает» сельскохозяйственные угодья, которые вместо этого можно было бы использовать для выращивания продуктов питания, — сказал профессор Эрвин Рейснер, который руководил исследованием.
В течение нескольких лет исследовательская группа Рейснера, базирующаяся на химическом факультете Юсуфа Хамида, разрабатывала устойчивое топливо с нулевым содержанием углерода, вдохновленное фотосинтезом — процессом, с помощью которого растения превращают солнечный свет в пищу — с использованием искусственных листьев.
На сегодняшний день из этих искусственных листьев можно производить только простые химические вещества, такие как синтетический газ, смесь водорода и монооксида углерода, которая используется для производства топлива, фармацевтических препаратов, пластмасс и удобрений. Но чтобы сделать технологию более практичной, она должна была бы иметь возможность производить более сложные химические вещества непосредственно за один шаг с использованием солнечной энергии.
Теперь искусственный лист может напрямую производить чистый этанол и пропанол без необходимости промежуточного этапа производства синтез-газа.
Исследователи разработали катализатор на основе меди и палладия. Он был оптимизирован таким образом, чтобы искусственный лист мог производить более сложные химические вещества, в частности многоуглеродные спирты этанол и н-пропанол. Оба спирта представляют собой топливо с высокой плотностью энергии, которое легко транспортировать и хранить.
Ране другой группе ученых удалось произвести аналогичные химические вещества с использованием электроэнергии, но это первый случай, когда такие сложные химические вещества были произведены с помощью искусственного листа, использующего только энергию солнца.
— Подсветка искусственных листьев солнечным светом и получение жидкого топлива из углекислого газа и воды — удивительная часть химии, — рассказал доктор Мотиар Рахаман. — Обычно, когда вы пытаетесь преобразовать CO2 в другой химический продукт с помощью устройства из искусственных листьев, вы почти всегда получаете угарный газ или синтез-газ, но здесь мы смогли произвести практичное жидкое топливо, просто используя энергию солнца… Это захватывающий прогресс, который открывает совершенно новые возможности в нашей работе.
В настоящее время устройство является доказательством концепции и показывает лишь скромную эффективность. Исследователи работают над оптимизацией поглотителей света, чтобы они могли лучше поглощать солнечный свет, и над оптимизацией катализатора, чтобы он мог преобразовывать больше солнечного света в топливо. Также потребуется дальнейшая работа, чтобы сделать устройство масштабируемым, чтобы оно могло производить большие объемы топлива.
— Несмотря на то, что предстоит еще много работы, мы показали, на что способны эти искусственные листья, — с гордостью отметил Рейснер. — Важно показать, что мы можем выйти за рамки простейших молекул и создавать вещи, которые непосредственно полезны при переходе от ископаемого топлива.
Топливо из воздуха и воды
Ксяо-Донг Жоу, доцент кафедры химических технологий Университета Южной Каролины входит в научную группу, которая занимается разработкой целостного подхода к управлению возобновляемой энергией.
Солнечные (ФВ) панели и ветряные турбины – распространенный метод выработки электроэнергии, однако этот метод сопряжен с некоторыми проблемами. Чтобы удовлетворять спрос в электроэнергии, коммунальным службам необходим постоянный источник, но как быть, если солнце село, а ветер стих?
Альтернативное решение, которое позволяет с помощью «зеленого» электричества поднять CO2 на новый уровень в иерархии энергоносителей обсуждалось специалистами в течение долгого времени. Углекислый газ как продукт горения, который выбрасывается в атмосферу из труб электростанций, представляет серьезную угрозу атмосфере земли, но если рассматривать этот газ в аспекте выработки углеродного топлива, отношение к нему резко меняется в лучшую сторону. Энергия вырабатывается – углекислый газ исчезает.
Затратив энергию можно разложить CO2 на углеродистые соединения, которые используются в качестве топлива. На языке химиков это называется раскислением: исходный газ трансформируется в соединения с меньшим содержанием углерода, которые можно использовать в качестве топлива. Цель технологического процесса выделить такие одно-углеродные молекулы как монооксид углерода (CO), метанол и метан – это вещества с высокой энергоемкостью.
Все эти вещества можно использовать в пасмурные или безветренные периоды времени, и зачастую их можно задействовать более оперативно, чем электроэнергию. К примеру, метан является основным компонентом природного газа, для сжигания которого уже сегодня существует развитая инфраструктура.
Метанол (или древесный спирт) близок по составу этанолу (этиловый спирт) и обычно используется в качестве жидкого топлива. Монооксид углерода не слишком хорошо вписывается в этот ряд, однако и у него есть химические свойства, которые позволяют использовать его в качестве топлива; в качестве самостоятельного вещества или как компонент для других видов топлива.
Сложность заключается в том, чтобы сделать процесс раскисления CO2 экономически выгодным. Необходимо добиться эффективного преобразования электрической энергии в химическую, а также снизить стоимость аппарата, в котором происходит процесс.
Жоу и его исследовательская группа недавно опубликовали в журнале Angewandte Chemie документ, в котором отражен прогресс, достигнутый по обоим вопросам. Им удалость разработать потенциально недорогой катализатор, который эффективно преобразовывается CO2 в CO в электрохимической ячейке.
Отправной точкой в изготовлении катализаторов стало применение в качестве модели углеродных нанотрубок; они состоят исключительно из атомов углерода. Но для изготовления катализаторов способных раскислять CO2 пришлось насадить в углеродные трубки некоторое количество атомов азота, чтобы изменить геометрическую и энергетическую структуру катализатора.
Результатом добавления атомов азота стала повышенная устойчивость катализатора в сравнении с катализаторами на основе металлов, ранее описанными для аналогичных реакций в специальной литературе.
Исследователи пошли дальше: они определили, каким образом микроструктура измененной нанотрубки влияет на процесс катализа. Когда атом азота занимает место углерода, в нанотрубке изменяются некоторые химические структурные связи; одна из них (ее называют пиридиновой) стала причиной повышения эффективности катализа. За счет этих структурных изменений углеродная трубка составила серьезную конкуренцию трубкам из более дорогих драгоценных материалов, которые также используются для раскисления CO2.
Жоу и его коллеги удовлетворены результатами исследований, однако не собираются останавливаться на достигнутом.
«Мы сотрудничаем с другими институтами, где ведется работа по расщеплению воды с помощью фотовольтажных технологий. В будущем мы планируем совместить обе реакции в один процесс»,– рассказал Жоу.
«На первом этапе расщепление воды – протоны движутся от анода к катоду через электролит, а затем – реакция с двуокисью углерода и преобразование в топливо. Впереди еще много работы, но первый шаг уже сделан».
