Эффективность одной реакции составляет 95%, второй — 93%
Учёные из Ноттингемского университета в Великобритании представили технологию, которая может одновременно решать сразу две экологические проблемы: сокращать выбросы углекислого газа и перерабатывать сельскохозяйственные отходы в полезное промышленное сырьё. Исследователи разработали автономный фотоэлектрохимический реактор, работающий исключительно на солнечном свете и не требующий подключения к электросети.
Главная особенность новой установки заключается в том, что она одновременно запускает две химические реакции, используя энергию одного и того же солнечного излучения. В результате углекислый газ и продукты распада биомассы превращаются в ценные химические соединения, востребованные в производстве пластмасс, красителей, текстиля и фармацевтической продукции.
Одной из главных проблем технологий переработки CO2 остаётся высокая энергоёмкость процесса. Молекула углекислого газа отличается высокой химической стабильностью, поэтому для её преобразования обычно требуются либо высокие температуры, либо значительные затраты электроэнергии.
Британские исследователи решили эту задачу с помощью двухкамерного фотоэлектрохимического реактора, который работает без внешнего источника питания. В первой камере солнечный свет попадает на специальный фотоанод из недорогих полупроводниковых материалов — нитрида углерода и оксида вольфрама. Под воздействием света в материале возникают заряженные частицы, которые запускают химические реакции.
В анодной камере происходит переработка соединения HMFA — одного из продуктов разложения древесины и сельскохозяйственных отходов. С эффективностью около 95% оно превращается в ценный химический мономер, который может использоваться для производства биоразлагаемых пластиков и других экологичных материалов.
Одновременно высвобождающиеся электроны направляются во вторую камеру реактора. Там они взаимодействуют с углекислым газом и превращают его в формиат — производное муравьиной кислоты. Эффективность этой реакции достигает 93%. Формиат широко применяется в химической промышленности, фармацевтике, текстильном производстве и при выпуске экологически безопасных покрытий и красок.
Отдельное внимание разработчики уделили стоимости технологии. В отличие от многих экспериментальных систем, которые используют дорогостоящие благородные металлы вроде платины, рутения или иридия, новый реактор построен на основе доступных и распространённых материалов. Для сохранения высокой эффективности учёные разработали специальный метод электроосаждения, позволяющий точно формировать активные каталитические поверхности без применения редких элементов.
Проведённая оценка жизненного цикла показала, что установка обладает практически нулевым углеродным следом. Реактор работает при комнатной температуре, использует только солнечный свет и не требует дополнительного энергоснабжения.
Авторы проекта считают, что в будущем подобные системы можно будет устанавливать непосредственно рядом с промышленными предприятиями и сельскохозяйственными комплексами. Например, модульные установки смогут улавливать углекислый газ прямо из заводских выбросов и одновременно перерабатывать местные биологические отходы в востребованное химическое сырьё.
Если технология подтвердит свою эффективность в промышленном масштабе, она может стать одним из инструментов достижения углеродной нейтральности. Вместо того чтобы рассматривать выбросы CO2 и биомассу как отходы, предприятия смогут превращать их в коммерчески ценные продукты, получая дополнительный источник дохода и одновременно снижая нагрузку на окружающую среду.