Предложен абсолютно новый метод конверсии диоксида углерода

Чтобы одновременно уменьшить количество потребляемого ископаемого топлива и парникового газа, но при этом избежать провала в выработке энергии, необходимо некое соломоново решение. И таковым видится использование самого парникового газа в качестве источника энергии. Но это легко сказать, а вот как такого добиться?.. Тем не менее немецким учёным, опубликовавшим соответствующую статью в журнале Angewandte Chemie, реализация задачи не кажется неподъёмной. И даже более того.

Исследователи предложили совершенно инновационный метод каталитического гидрирования CO₂ с образованием муравьиной кислоты. В этом процессе диоксид углерода выступает не только как исходное вещество, но и как растворитель для отвода продукта, для чего сам CO₂ должен находиться в суперкритическом состоянии. Этот интегрированный процесс впервые позволяет получать свободную муравьиную кислоту в качестве продукта за одну стадию.

Но прежде, чем продолжить рассказ, позвольте в очередной раз обратить ваше внимание на логическую подмену в рассуждении героев нашей заметки. Да, найден способ использования CO₂ при конвертировании его в муравьиную кислоту, которая при простом сгорании всё равно даст то же самое количество диоксида углерода, и в итоге мы получим как бы ноль: хотя бы парниковых газов не прибавилось. Но в том-то и дело, что «как бы». Если в такое поверить, придётся записаться в изобретатели вечных двигателей. Зададим авторам прямой вопрос: откуда водород? Ответ один: если убрать мизерные возможности солнечной энергетики и вспомнить о дурацких страхах перед атомными станциями, то из тех же ископаемых источников сырья — точнее, из электролиза воды, а электричество — с мазутной (угольной, газовой) электростанции. Вот так благие намерения развеиваются по ветру. Но не будем отвлекаться от самой химии: эта часть в работе интересна сама по себе.

Схематичное представление нового метода (IL — ионная жидкость) (иллюстрация Wiley-VCH).

Гидрирование CO₂ до муравьиной кислоты (HCO₂H) — объект очень интенсивных исследований, поскольку позволяет получить прямой доступ к ещё более сложным химическим продуктам, используя в качестве сырья отходы современной энергетики, основанной на ископаемом топливе. Сама муравьиная кислота не только является важным сырьём для химической промышленности, но и находит применение в пищевой и кожевенной индустрии. А в последнее время эту молекулу принято рассматривать также в качестве ценного хранилища водорода для последующего использования в топливных ячейках (в которых происходит обратное каталитическое восстановление водорода).

Проблема гомогенного катализа, пригодного для получения муравьиной кислоты из CO₂, изучается с середины 1970-х. Главная трудность заключается в том, что равновесие процесса сильно сдвинуто в сторону образования исходных веществ, то есть получение желаемого продукта возможно только в том случае, если удастся наладить постоянный отвод образующейся кислоты из сферы реакции — например, в виде соли, аддукта или ещё какого производного. Это значит, что для получения свободной муравьиной кислоты необходимо провести ещё как минимум одну стадию (а скорее две), поскольку вначале нужно снять аддукт с катализатора, а уж затем восстановить кислоту в свободном виде.

Химики из Технологического института в Ахене (Германия) под руководством Вальтера Лайтнера (Walter Leitner) создали совершенно новую концепцию, которая могла бы позволить производить чистую муравьиную кислоту в непрерывном процессе. Сама реакция и последующее разделение интегрированы в один реактор.

Весь секрет — в использовании двухфазной реакционной системы, которая состоит из суперкритического CO₂ в качестве подвижной фазы и ионной жидкости (жидкой соли) в качестве фазы стационарной. Катализатор и основание, необходимые для получения и стабилизации кислоты, растворены в ионной жидкости (и в этом смысле катализ всё-таки гомогенный). Газ CO₂ пропускается сквозь систему при температуре и давлении выше критических значений (74 бар, 31 ˚C) и селективно удаляет муравьиную кислоту из реакционной смеси (экстрагирует в суперкритический CO₂).

Двойная роль CO₂ (реактант и экстрагируемая фаза) имеет множество достоинств: продукт постоянно отводится, а затем и постепенно «выдувается» из реактора, что способствует сдвигу равновесия в сторону образования продуктов. Ионная жидкость, как и её компоненты, не растворяется в суперкритическом CO₂ и, таким образом, ни в коей мере не загрязняет продукт. Сам процесс может проводиться непрерывно. В лабораторных условиях эксперимент демонстрировал стабильные показатели конверсии в течение 200 часов.

И ещё раз обратим внимание на то, с чего начали. За счёт чего создаётся и поддерживается стабильное суперкритическое состояние CO₂? За счёт чего в систему подаётся нагретый сжатый газ? Только за счёт очередной порции выбросов парникового газа — но ведь это где-то там, да? А раз никто не видит, то этого как будто и нет?..

Подготовлено по материалам Angewandte Chemie.