Легкая фиксация углерода на пермуравьиной кислоте водой

Научные отчеты, том 5, Номер статьи: 14737 (2015) Цитировать эту статью

1768 Доступов

8 цитат

3 Альтметрика

Подробности о метриках

Под фиксацией углерода понимается преобразование углекислого газа (CO2) в органические материалы, которое обычно происходит в природе посредством фотосинтеза растениями и другими автотрофными организмами. Создание процессов искусственной фиксации углерода является одной из важнейших задач химии для решения важной экологической проблемы, связанной с сокращением выбросов CO2. Мы разработали простой процесс фиксации CO2 с электрическим приводом, который позволяет получать надмуравьиную кислоту HCO2OH из CO2 и воды при нейтральном pH путем диэлектрического барьерного разряда с эффективностью преобразования входной электрической энергии, составляющей в настоящее время 0,2-0,4%. Этот метод сам по себе предлагает многообещающую будущую технологию искусственной фиксации углерода, а также может быть расширен в сочетании, например, с технологией улавливания и хранения CO2 после сжигания.

Растет обеспокоенность по поводу глобального потепления из-за постоянно растущей концентрации CO2 в атмосфере в результате масштабного сжигания ископаемого топлива1. Нынешний уровень концентрации CO2 в атмосфере, как предсказывают многие учёные, потенциально может привести к серьёзному изменению климата, которое разрушит многие естественные процессы, на которые опирается человечество. Таким образом, эффективное сокращение выбросов CO2 находится в центре неотложной международной повестки дня как в политических, так и в научных кругах. С этой целью одной из самых больших задач для химии является создание искусственных процессов фиксации углерода, хорошо известными примерами которых являются искусственный фотосинтез с помощью фотокаталитических полупроводников2,3,4,5 и микробная фиксация CO25,6,7. Успех решения этих задач зависит не только от общей эффективности фиксации углерода, но также от надежности и коммерческой жизнеспособности задействованных систем. Наиболее желательно, чтобы этот процесс также приводил к получению продуктов с высокой коммерческой ценностью. Например, полупроводниковый искусственный фотосинтез преобразует CO2 в CO, HCO2H, CH4, CH3OH и т. д., предпочтительно по так называемой Z-схеме, но весьма сложным образом5. Сомнительно, что такие системы можно будет масштабировать на коммерческой основе и смогут ли они поддерживать работу под интенсивным солнечным светом в течение достаточно длительных периодов времени.

Существует еще одна область активных исследований, тесно связанная с проблемой фиксации углерода; то есть либо гомогенное8, либо гетерогенное9 каталитическое гидрирование CO2. CO2 является богатым ресурсом C1, который может служить возобновляемым сырьем для производства множества полезных соединений, но эффективные катализаторы необходимы для преодоления высоких термодинамических и кинетических барьеров, связанных с CO2. Среди прочего, метанол привлек широкое внимание как топливо, получаемое из CO2 путем каталитического гидрирования, согласно:

Однако это тип преобразования топлива в топливо, представляющий собой термодинамически нисходящую реакцию. Это контрастирует с естественным процессом фиксации углерода, в котором вода является источником водорода. Кроме того, катализаторы имеют тенденцию отравляться или дезактивироваться в результате длительной эксплуатации, а необходимость восстановления и регенерации может препятствовать коммерческой жизнеспособности.

В этой статье мы предлагаем и демонстрируем один многообещающий, простой и управляемый электричеством процесс фиксации CO2, который дает то, что мы определяем ниже как надмуравьиную кислоту (PFA), HCO2OH, из CO2 и воды путем диэлектрического барьерного разряда (DBD)10, который тщательно разработан предназначен для работы в водозапорном разрядном зазоре с CO2 под атмосферным давлением; см. рис. 1 и дополнительный рисунок S1 онлайн. Общая реакция, термодинамически восходящая, определяется выражением:

При этом при оценке неизвестной энтальпии образования ПФА мы предположили, что ΔH для HCOOH + (1/2) O2 → HCO2OH примерно равна таковой для H2O + (1/2) O2 → H2O2.

Схематический вид сбоку аппарата DBD с водяным уплотнением.

Не в масштабе. Более подробную информацию см. на дополнительном рисунке S1.