Как снизить содержание углекислого газа в атмосфере? Как распорядиться излишками электроэнергии из возобновляемых источников? Катализатор из нанокристаллов меди дает ответ сразу на оба вопроса.

Проблема выброса в атмосферу парниковых газов заботит ученых уже давно. Наибольшую обеспокоенность вызывает углекислый газ, поскольку его вклад в глобальный парниковый эффект уступает лишь вкладу водяного пара. И здесь даже не так уж важно, идет ли речь об антропогенных выбросах, то есть тех, что вызваны деятельностью человека, или о природных источниках эмиссии СО2 - ведь увеличение его содержания в атмосфере в любом случае способствует глобальному потеплению, и с этим что-то надо делать!

Но проблема в том, что молекулы углекислого газа обладают очень низкой химической активностью, и для того, чтобы заставить их вступать в реакции с другими веществами, нужно затратить изрядное количество энергии. Поэтому до сих пор все мысли и усилия исследователей были направлены, в основном, на то, чтобы найти способ долговременного изъятия излишков углекислого газа из природного круговорота углерода. Захоронить их, скажем, в мировом океане, аккумулировать в почве и лесах, закачать в заброшенные шахты и так далее.

Две проблемы - одно решение

Однако теперь - благодаря работам группы американских химиков - перед экологами, климатологами, а заодно и энергетиками открылись совершенно новые перспективы. Потому что технология, разработанная профессором Стэнфордского университета Мэтью Кэнаном (Matthew Kanan) и его коллегами, не только позволяет превратить вредные выбросы СО2 в нечто полезное и даже ценное, но и облегчает переход от традиционной углеводородной энергетики к энергетике зеленой.

Ведь одна из главных проблем альтернативной энергетики состоит в непостоянстве энергопроизводства: ветер то дует, то нет, солнце то светит, то нет, и это заставляет искать способы аккумулировать излишки энергии, выработанной в благоприятные часы, для компенсации ее нехватки в неблагоприятные часы. Работа профессора Кэнана и его коллег, результаты которой опубликованы в журнале Nature, вносит весомый вклад в решение и этой проблемы. Ученый поясняет: "Идея состоит в создании системы, в которой солнечная энергия или энергия ветра использовались бы для поддержания электрохимического процесса превращения углекислого газа как исходного сырья в жидкое топливо".

Катализатор для получения этанола

Таким образом, углекислому газу нашлось бы, наконец, достойное применение. А излишки энергии, получаемой из регенеративных источников, расходовались бы на его электролиз и аккумулировались бы в образующемся при этом жидком горючем. "Уже сегодня углекислый газ можно электрохимическим путем восстанавливать до окиси углерода, но это только первый шаг, - поясняет профессор Кэнан. - Чтобы получить из нее углеводородное топливо, нужно продолжать процесс восстановления. Так вот, нам удалось теперь найти такой катализатор, который позволяет из окиси углерода и воды на следующем этапе электролиза получить этанол".

Тот самый этанол, то есть этиловый спирт, который подмешивают, например, к автомобильному бензину. Правда, на заправочных станциях в Германии доля этанола в бензине не превышает 10 процентов, но, скажем, в США или Швеции достигает 85, а в Бразилии - даже 100 процентов. Так что спрос на это топливо налицо.

Вместо водорода на катоде этанол

Чудо-катализатор калифорнийских ученых - это медь, но не просто медь, а наночастицы меди, вернее, нанокристаллы. Обычные наночастицы получают осаждением металла из термически разлагаемой газовой фазы, при этом образуется неупорядоченная структура. Профессор Кэнан поступил иначе: взяв за основу электрод из твердого оксида меди, он путем его химического восстановления получил строго упорядоченное покрытие из медных нанокристаллов. Электролизная ячейка калифорнийских исследователей представляет собой сосуд с водой, которая постоянно насыщается окисью углерода. Если в сосуд опустить стандартные электроды и подать на них напряжение, начнется разложение воды, на аноде будет собираться кислород, на катоде - водород. Но использование катода из нанокристаллов меди позволило вместо восстановления воды до водорода добиться восстановления окиси углерода до этанола.

Это даже не потребовало более или менее высокого напряжения, а эффективность электролиза (так называемая эффективность Фарадея) составила 57 процентов, что более чем в 10 раз превосходит показатель, достигнутый на обычных медных катализаторах.

Механизм непонятен, но перспективы впечатляют

"Мы надеемся, что в ходе дальнейшей оптимизации нашего катализатора нам удастся поднять эффективность процесса почти до 100 процентов", - говорит профессор Кэнан.

Почему нанокристаллы, полученные из твердого оксида меди, оказались таким замечательным катализатором, а наночастицы, осажденные из газовой фазы, - нет, ученый пока и сам не вполне понимает. Но это не мешает ему думать уже о дальнейших шагах: "Мы сделаем все, чтобы как можно скорее довести наше открытие до стадии практического применения. Сколько времени на это уйдет, сказать сегодня невозможно. Но в конечном итоге эта технология позволит нам извлекать углекислый газ из дымовых газов электростанций и превращать его в действительно полезный продукт вместо того, чтобы бессмысленно закачивать, как сегодня планируется, под землю!"