Антропогенное накопление CO2 в атмосфере значительно нарушило климатический баланс планеты, что привело к драматическим последствиям для окружающей среды и биоразнообразия. Всемирное использование ископаемого топлива (обеспечивающего 80% энергии) является одной из основных причин этого накопления или «углеродного следа».
Сокращение выбросов углерода в атмосферу в настоящее время является одной из главных климатических проблем. Для достижения этой цели предпринимаются усилия по продвижению технологий улавливания и хранения CO2. Одна из самых популярных в нефтяной промышленности предполагает закачку CO2 и хранение его в подземных резервуарах, чтобы сократить выбросы в атмосферу во время рабочего цикла.
«Но если бы вместо улавливания и хранения углерода было улавливание и утилизация углерода, мы могли бы сделать из CO2 что-то полезное, а не закапывать его под землю«, — предполагает Эрвин Рейснер, автор-корреспондент нового исследования и эксперт химического факультета Кембриджского университета. По его мнению, хранение углерода не может быть жизнеспособным долгосрочным решением, не говоря уже о том, что оно ничего не дает для полного исключения ископаемого топлива из энергетических систем.
Технология, вдохновленная листьями деревьев
В течение нескольких лет исследователи Кембриджа пытались воспроизвести в лаборатории фотосинтез — сложный природный процесс, в ходе которого листья деревьев используют энергию Солнца для захвата и расщепления CO2 в атмосфере и выделения кислорода обратно в атмосферу. Искусственные листья предназначены для преобразования воды и углерода в устойчивое топливо с помощью фотонной батареи.
Однако устройство все еще имеет ограничения в том, что оно может быть использовано только для CO2 в чистом виде под давлением. Чтобы этот углерод превратился в энергию, он должен захватить электроны от молекул воды — энергоемкий процесс. Но большая часть энергозатрат приходится на этапы десорбции и сжатия, сопровождающие улавливание CO2. Они также связаны с нагреванием больших объемов щелочных растворов, не говоря уже о том, что газ, который впоследствии выделяется, находится под давлением. В результате, такое решение является энергетически нежизнеспособным и не переносимым на реальные атмосферные условия.
Учитывая, что CO2 является лишь одним из многих газов, составляющих воздух, технология действительно практична только при улавливании углерода, который образуется непосредственно из него или извлекается из промышленных отходов. Поскольку CO2 в таких условиях сильно разбавлен, устройство должно быть достаточно чувствительным и селективным, чтобы его можно было изолировать от других газов. Новый прототип, описанный в новом исследовании, опубликованном в журнале , преодолел эту техническую проблему, включив в свой производственный цикл обычный пластик (PET). В конечном итоге эта технология позволит полностью исключить ископаемое топливо из энергетических систем.
Циркулярный производственный цикл
Новое устройство состоит из системы молекулярного катализа, состоящей из фотокатода (использующего солнечную энергию) и анода. Оно разделено на два отсека, один из которых улавливает CO2 и преобразует его в синтетический газ (классическое топливо), а другой превращает пластик в гликолевую кислоту, распространенный компонент антивозрастной косметики.
Сборка погружается в щелочной раствор, чтобы инициировать процесс «барботирования», который концентрирует CO2 из воздуха в растворе. Присутствие PET является важным приемом, поскольку процесс катализа позволяет ему отдавать электроны CO2 при его разложении на гликолевую кислоту, и все это с меньшим потреблением энергии. «Пластиковый компонент — важный трюк для этой системы, потому что захват и использование CO2 из воздуха усложняет химический процесс«, — объясняет соавтор исследования Мотиар Рахаман, также работающий в Кембридже.
Полученный синтетический газ сохраняется, в то время как другие компоненты воздуха, такие как азот и кислород, отбрасываются, как в настоящем процессе фотосинтеза. CO2, выделяющийся при сгорании полученного газа, может быть реинтегрирован и повторно использован в системе. Таким образом, сборка позволит перерабатывать CO2 из воздуха и пластика, обычно используемого для изготовления бутылок и упаковки, почти бесконечно, в соответствии с циклическим процессом, полностью исключающим ископаемое топливо.
Однако следует иметь в виду, что это прототип, который еще нуждается в доработке, чтобы по-настоящему установить его преимущества. Например, исследователи еще не оценили, действительно ли энергетический цикл является безуглеродным (по всей цепочке) или можно ли перерабатывать другие виды пластика. В настоящее время исследователи работают в этом направлении, оценивая преимущества сочетания прямого захвата воздуха с использованием CO2 как пути к будущему с нулевым выбросом углерода.