Химик из Мичиганского университета Чарльз МакКрори и его исследовательская группа совместно с лабораторией Хесуса Веласкеса в Калифорнийском университете, Дэвиса и лабораторией Анастасии Александровой в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе разработали метод улавливания углекислого газа и превращения его в оксалаты металлов, которые затем можно использовать в качестве прекурсоров для производства цемента.

Исследование опубликовано в журнале Advanced Energy Materials.

«Это исследование показывает, как мы можем взять углекислый газ , который, как все знают, является отходом, имеющим нулевую или малую ценность, и переработать его во что-то ценное», — сказал МакКрори, доцент кафедры химии и макромолекулярной науки и инженерии. «Мы не просто берем углекислый газ и закапываем его; мы берем его из разных точечных источников и повторно используем для чего-то полезного».

Исследование было стимулировано участием МакКрори в Центре по замыканию углеродного цикла (4C), исследовательском центре Energy Frontier под руководством Дженни Янг в Калифорнийском университете в Ирвайне. Одной из целей 4C является изучение методов улавливания и преобразования углекислого газа в ценное топливо и продукты.

Наиболее распространенным типом цемента является портландцемент, который обычно производится из известняка и минералов, таких как силикаты кальция. Производство этого портландцемента имеет относительно большие энергетические затраты и углеродный след , сказал МакКрори. МакКрори и его коллеги искали способы извлечения углекислого газа и преобразования его в материалы, которые можно использовать для производства альтернативных цементов.

Одним из типов материалов, которые можно использовать в качестве альтернативного прекурсора цемента, являются оксалаты металлов, простые соли. Исследователи знают, что свинец может использоваться в качестве катализатора — вещества, которое помогает облегчить химическую реакцию, — которое может преобразовывать углекислый газ в оксалаты металлов. Но этот процесс требует большого количества свинцовых катализаторов, что представляет опасность для окружающей среды и здоровья человека.

Команда 4C смогла использовать полимеры для контроля среды, непосредственно окружающей свинцовые катализаторы, сократив количество свинца, необходимое в этом процессе, до частей на миллиард — следового уровня примеси свинца, обнаруженного во многих коммерческих пористых графитовых и углеродных материалах.

McCrory специализируется на контроле микросреды — химической среды и координационной среды — вокруг каталитических участков. Контролируя микросреду, McCrory может настраивать активность катализатора. Исследователи показали, что, контролируя микросреду, окружающую свинцовый катализатор в химической реакции, которая преобразует углекислый газ в оксалат , они могут значительно сократить количество свинца, необходимое для процесса.

Для получения оксалата из углекислого газа исследователи используют набор электродов. На одном электроде углекислый газ преобразуется в оксалат, который является ионами, растворенными в растворе. Другой электрод — металлический электрод, который окисляется и высвобождает ионы металла , которые связываются с ионом оксалата и осаждают его из раствора в виде твердого оксалата металла.

«Эти ионы металла соединяются с оксалатом, образуя твердое вещество, и это твердое вещество выпадает из раствора», — сказал МакКрори. «Это продукт, который мы собираем и который можно смешивать в процессе производства цемента».

Веласкес — соавтор исследования и доцент кафедры химии в UCD. Его группа выдвинула идею использования следовых количеств свинца для управления реакциями синтеза оксалата и изучила механизмы, лежащие в основе химической реакции превращения углекислого газа в оксалат.

«Оксалаты металлов представляют собой малоизученную область, они служат альтернативными цементирующими материалами, прекурсорами синтеза и даже растворами для хранения углекислого газа», — сказал он.

Александрова также является соавтором исследования и профессором химии и материаловедения Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. Ее команда провела расчеты, чтобы подтвердить гипотезу о том, что этот механизм будет работать.

«Катализаторы часто открываются случайно, а успешные промышленные формулы часто очень сложны. Эти коктейли катализаторов открываются эмпирически, путем проб и ошибок», — сказала Александрова. «В этой работе у нас есть пример того, как следовая примесь свинца на самом деле является катализатором. Я считаю, что в практическом катализе есть еще много таких примеров, и что это недостаточно изученная возможность для открытия катализаторов».

МакКрори утверждает, что после того, как углекислый газ преобразуется в твердый оксалат металла, он не будет повторно выбрасываться в атмосферу в виде углекислого газа при нормальных условиях.

«Это настоящий процесс захвата, потому что вы делаете из него твердое тело», — сказал он. «Но это также полезный процесс захвата, потому что вы делаете полезный и ценный материал, который имеет последующие применения».

МакКрори говорит, что исследователи должны иметь возможность масштабировать одну часть процесса: Исследователи работают над электролизом для получения углекислого газа в больших масштабах. Следующими шагами будет дальнейшее изучение того, как масштабировать часть процесса, которая производит твердый продукт.

«Мы далеки, но я думаю, что это масштабируемый процесс», — сказал МакКрори. «Часть причины, по которой мы хотели уменьшить свинцовый катализатор до частей на миллиард, — это сложности масштабирования катализатора с огромным количеством свинца. В противном случае это было бы неэкологично».