Химики изготовили дешевый катализатор для производства углеводородов из углекислого газа

Британские химики произвели дешевый катализатор для получения жидких углеводородов из углекислого газа. Он состоит из соединений железа, марганца и калия, где главную роль играют оксид и карбид железа, подобранные в правильном соотношении. Авторы предлагают использовать свое изобретение для производства авиатоплива с нулевым углеродным следом, чтобы снизить вклад авиации в глобальное изменение климата. Статья опубликована в Nature Communications.

Углекислый газ — одна из основных антропогенных причин глобального изменения климата. В Европе около четырех процентов выбросов углекислого газа приходится на самолеты. Чтобы снизить эту долю, некоторые предлагают перевести авиацию на электрическую тягу: либо на солнечных панелях, либо на аккумуляторах. Несмотря на большое количество испытаний подобных самолетов, пока используются лишь легкомоторные электросамолеты, а до создания электрических коммерческих лайнеров еще далеко — лишь несколько месяцев назад первый электросамолет получил сертификат типа. Кроме того, неясно, насколько они будут выгодны для массового использования.

Альтернативный подход к снижению выбросов парниковых газов предполагает углеродную нейтральность — когда для создания топлива из атмосферы забирается столько же углекислого газа, сколько высвободится при сгорании. Как вариант, для этого можно использовать биотопливо, то есть горючие углеводороды, которые получили не из нефти, а из растительного сырья. У такого подхода есть существенный минус — биосырье для горючего приходится выращивать либо вместо продовольственных культур, что может привести к голоду в бедных странах, либо на месте вырубленных лесов, что вредит экологии. Чтобы этого избежать, ученые ищут способы производить топливо из углекислого газа промышленным способом, но как правило для этого требуются дорогие катализаторы.

Питер Эдвардс (Peter Edwards) и его коллеги из Оксфордского университета изобрели способ получать авиатопливо из углекислого газа и воды с помощью недорогого катализатора. Он состоит из соединений железа, калия и магния, и производится из общедоступного сырья. Для его приготовления ученые взяли лимонную кислоту, нонагидрат нитрата железа (III), тетрагидрат нитрата марганца (II) и калиевую селитру. Все компоненты нагрели и перемешали, после чего получившуюся пасту жгли на воздухе при 350 градусах для избавления от углерода и получения порошка. По мнению исследователей, именно наличие органической кислоты играет ключевую роль для производства качественного катализатора, поскольку при ее сгорании образуется много газов, что не дает порошку перегреваться и спекаться.

Ключевую роль в прямом получении авиатоплива из водорода и углекислого газа сыграли два соединения железа, заложенные в правильных пропорциях: Fe₃O₄ и сравнительно редкая форма карбида железа χ-Fe₅C_2, которая способствует формированию длинных углеводородных молекул. Благодаря этому тандему на катализаторе идет одновременно две реакции. В первой из них происходит обратная конверсия водяного газа с превращением смеси углекислоты и водорода в смесь воды и монооксида углерода. Этой реакции способствует оксид железа, который в процессе переходит в карбид. 

Вместе с тем карбид железа способствует процессу Фишера — Тропша — переходу смеси монооксида углерода с водородом в жидкие углеводороды, в ходе которого попутно карбид железа превращается обратно в оксид. Соединения марганца в катализаторе необходимы для повышения активности, а калия — для подавления образования метана и образования карбида железа. На основе данных лабораторных экспериментов химики утверждают, что с помощью их катализатора можно получить продукт с долей жидких углеводородов выше 50 процентов и выходом потенциального топлива около 17 процентов. Кроме того, еще 8 процентов приходятся на этилен и пропилен, которые играют ключевую роль в химической промышленности.

Помимо вклада в глобальное потепление, использование нефти вредит экологии даже если ее не сжигать. Большую проблему представляет пластиковый мусор, поэтому развитые страны стараются сократить использование одноразовой посуды: так, в Англии недавно запретили пластиковые трубочки. В то же время, переход на биопластик не стал панацеей, поскольку как минимуму некоторые его сорта оказались не менее токсичными.

Василий Зайцев