Химики создали углеводородное топливо с помощью воды и Солнца

Исследователи из США разработали принципиально новый метод получения углеводородного топлива с помощью солнечного света, водяного пара и углекислого газа. Впервые этот процесс удалось сделать одноступенчатым, требующим несложного оборудования и обходящимся без редкоземельных катализаторов. Соответствующая работа опубликована в Proceedings of the National Academy of Sciences

Ранее превращение парниковых газов в углеводороды с помощью солнечного света требовало двух этапов: сначала расщепляли молекулу CO₂ на угарный газ (СO) и кислород, а молекулу воды — на водород и кислород. На втором этапе из смеси СO и водорода с помощью процесса Фишера — Тропша, известного ещё до Второй мировой, получали синтетическое топливо.

Такой сложный метод требовал громоздких многокамерных реакторных установок, по сути — настоящего химического завода. Кроме того, многоступенчатое преобразование означало низкий КПД установки: теплотворная способность полученного топлива составляла примерно 1—2 процента от потраченной на него солнечной энергии. К тому же такие реакции успешно шли лишь в присутствии недешёвых катализаторов из редкоземельных элементов типа церия.

Американские химики предложили принципиально новое решение этих проблем, впервые в мировой практике получив топливо из углекислого газа и воды в ходе одноступенчатого процесса. Для этого учёные использовали проточный химический реактор, через который пропускали углекислый газ и водяной пар. Сквозь прозрачную верхнюю стенку внутрь реактора подавали концентрированный зеркалами солнечный свет, нагревавший его содержимое до 180—200 градусов Цельсия.

Давление внутри рабочей камеры поддерживалось в диапазоне от одной до шести атмосфер. В качестве катализатора химики применили смесь из 95-процентных титановых белил и 5-процентного кобальта. При этом до 13 процентов массы поступавших в реактор веществ преобразовались в углеводороды, в частности пентан и более тяжёлые, например, октан (важный компонент бензинов).

Главным катализатором в новом процессе является широко распространённая в природе двуокись титана (титановые белила). К тому же из-за одноступенчатости суммарное КПД метода стало существенно выше, чем у предшественников. Разработчики намерены в ближайшее время дополнительно увеличить его, оптимизировав процесс за счёт адаптации катализатора для более полного использования энергии солнечного света. По оценкам руководителя исследовательской группы, после этого получение углеводородов по такой схеме станет коммерчески целесообразным даже в условиях невысоких рыночных цен на нефть.

Проточными химическими реакторами называют системы, в которых реагенты подаются, а продукты реакции выводятся непрерывным потоком. За счёт этого перенос тепла из активной зоны реактора осуществляется намного быстрее, что позволяет повысить концентрацию реагентов и ускорить саму реакцию, не опасаясь перегрева рабочей зоны.

Искусственное получение углеводородов из углекислого газа с использованием солнечной энергии рассматривается в США как одна из крайне важных, пусть и непростых в реализации задач. Несмотря на бурное развитие возобновляемой энергетики, включая солнечную, на данном этапе она не может решить задачу обеспечения энергией автомобильного транспорта.