Теперь исследователи Северо-Западного университета совместно с международной командой сотрудников создали уксусную кислоту из монооксида углерода, полученного из захваченного углерода. Инновация, в которой используется новый катализатор, созданный в лаборатории профессора Теда Сарджента, может подстегнуть новый интерес к улавливанию и хранению углерода.

"Улавливание углерода сегодня возможно с технической точки зрения, но пока не с экономической", - сказал Сарджент. "Используя электрохимию для преобразования улавливаемого углерода в продукты с устоявшимися рынками сбыта, мы открываем новые пути для улучшения этих экономических показателей, а также более устойчивый источник промышленных химикатов, в которых мы все еще нуждаемся".

Статья была опубликована сегодня (3 мая) в журнале Природа.

Сарджент, автор-корреспондент статьи, является профессором химии в колледже искусств и наук Вайнберга Линн Хоптон Дэвис и Грегом Дэвисом из Северо-Западного университета и профессором электротехники и вычислительной техники в инженерной школе Маккормика. Его команда имеет опыт использования электролизаторов - устройств, в которых электричество запускает желаемую химическую реакцию, - для преобразования захваченного углерода в ключевые промышленные химикаты, включая этилен и пропанол.

Хотя уксусная кислота, возможно, наиболее известна как ключевой компонент домашнего уксуса, недавний соискатель степени доктора философии Университета Торонто Джош Уикс, один из четырех соавторов статьи, сказал, что это использование составляет лишь небольшую долю того, для чего она используется.

"Уксусная кислота в уксусе должна поступать из биологических источников путем ферментации, потому что она потребляется человеком", - сказал Уикс. "Но около 90% рынка уксусной кислоты приходится на сырье для производства красок, лакокрасочных материалов, клеев и других продуктов. Производство в таких масштабах осуществляется в основном за счет метанола, который получают из ископаемого топлива."

Базы данных по оценке жизненного цикла показали команде, что на каждый килограмм уксусной кислоты, полученной из метанола, в процессе выделяется 1,6 кг CO₂.

Их альтернативный метод осуществляется с помощью двухэтапного процесса: сначала улавливается газообразный CO₂ пропускается через электролизер, где вступает в реакцию с водой и электронами с образованием монооксида углерода (CO). Затем газообразный CO пропускают через второй электролизер, где другой катализатор превращает его в различные молекулы, содержащие два или более атомов углерода.

"Главная проблема, с которой мы сталкиваемся, - это избирательность", - сказал Уикс. "Большинство катализаторов, используемых для этой второй стадии, способствуют нескольким одновременным реакциям, что приводит к получению смеси различных двухуглеродистых продуктов, которые может быть трудно разделить и очистить. То, что мы пытались здесь сделать, - это создать условия, при которых предпочтение отдавалось одному продукту над всеми остальными".

Винаяк Дравид, другой старший автор статьи и профессор материаловедения и инженерии Абрахама Харриса, является директором-основателем Центра атомной и наноразмерной характеристики Северо-Западного университета (NUANCE), который позволил команде получить доступ к разнообразным возможностям для измерений материалов в атомном и электронном масштабе.

"Современные исследовательские проблемы сложны и многогранны и требуют разнообразных, но интегрированных возможностей для анализа материалов вплоть до атомного масштаба", - сказал Дравид. "Коллеги, подобные Ted, ставят перед нами сложные задачи, которые стимулируют наш творческий потенциал к разработке новых идей и инновационных методов определения характеристик".

Проведенный командой анализ показал, что использование гораздо меньшей доли меди (примерно 1%) по сравнению с предыдущими катализаторами способствовало бы получению только уксусной кислоты. Это также показало, что повышение давления до 10 атмосфер позволило бы команде достичь рекордной эффективности.

В статье команда сообщает о фарадической эффективности в 91%, что означает, что 91 из каждых 100 электронов, закачиваемых в электролизеры, попадают в желаемый продукт - в данном случае в уксусную кислоту.

"Это самая высокая фарадическая эффективность для любого многоуглеродного продукта при масштабируемой плотности тока, о которой мы когда-либо сообщали", - сказал Уикс. "Например, катализаторы, нацеленные на этилен, обычно дают максимальную отдачу от 70% до 80%, так что мы значительно превышаем этот показатель".

Новый катализатор также оказался относительно стабильным: в то время как фарадическая эффективность некоторых катализаторов имеет тенденцию к снижению с течением времени, команда показала, что она остается на высоком уровне в 85% даже после 820 часов работы.

Уикс надеется, что элементы, которые привели к успеху команды, включая новый целевой продукт, немного повышенное давление реакции и меньшую долю меди в катализаторе, вдохновят другие команды мыслить нестандартно.

"Некоторые из этих подходов идут вразрез с общепринятыми представлениями в этой области, но мы показали, что они могут работать действительно хорошо", - сказал он. "В какой-то момент нам придется обезуглероживать все элементы химической промышленности, поэтому чем больше у нас будет различных путей получения полезных продуктов, будь то этанол, пропилен или уксусная кислота, тем лучше".

Исследование финансировалось Национальной программой ключевых исследований и разработок Китая (номер гранта 2022YFC2106000, 2022YFA1505100 и 2020YFA0715000), Национальным фондом естественных наук Китая (номера грантов 11874164, 52006085, BE3250011, 52127816, 51832004, 51972129 и 52272202) и Инновационным фондом Уханьской национальной лаборатории оптоэлектроники. Также поддержку оказывают Китайский постдокторский научный фонд (номера грантов 2019TQ0104 и 2020M672343), The) и Шанхайский университет Цзяо Тун (номер гранта WH220432516). Канадский совет по естественным наукам и инженерным исследованиям (NSERC) Финансирование предоставили программа Discovery (номер гранта RGPIN-2017-06477) и Исследовательский фонд Онтарио (номер гранта ORF-RE08-034). Наконец, Совет Фонда Марсдена по государственному финансированию (грант № 21-UOA-237) и Общий грант Catalyst: Seeding General (грант № 22-UOA-031-CGS), управляемый Королевским обществом Апранги, профинансировали исследование.

В этой работе использовалась база EPIC Центра NUANCE Северо-Западного университета, которая получила поддержку от SHyNE Resource (номер гранта NSF ECCS-2025633), IIN и программы MRSEC Северо-Западного университета (номер гранта NSF DMR-1720139).