За последние десятилетия исследователи в области энергетики разработали различные перспективные решения для ограничения выбросов парниковых газов и более устойчивого получения топлива и других химических веществ. Эти решения включают в себя так называемые технологии улавливания углерода и электролизеры – устройства, способные улавливать углекислый газ (CO2 ) и преобразовывать его в другие ценные продукты, такие как оксид углерода (CO), метанол (CH₃OH), метан (CH₄) и различные другие соединения.

Некоторые недавно представленные решения по преобразованию CO2 в соединения, пригодные для использования в качестве топлива или в промышленных целях, дали многообещающие результаты. Однако большинство этих устройств работают только при условии очистки CO2 ( т.е. отделения его от других газов, загрязняющих веществ и примесей). Этот дополнительный этап очистки снижает эффективность устройств и может увеличить затраты, связанные с их внедрением, что препятствует их широкомасштабному внедрению.

Альтернативный метод улавливания и конверсии CO2 , известный как реактивное улавливание CO2 , может быть более эффективным и масштабируемым, чем традиционные подходы. Этот метод объединяет улавливание и конверсию CO2 в одном процессе, используя азотсодержащие соединения (например, абсорбенты на основе аминов) для прямого преобразования уловленного CO2 в целевые соединения посредством электрохимических реакций.

Исследователи из Королевского королевского технологического института (RMIT), Оклендского университета и других институтов недавно провели исследование, направленное на оценку эффективности различных абсорберов на основе аминов для реактивного улавливания CO2 . В их статье, опубликованной в журнале Nature Energy, предполагается, что циклический амин пиперазин превосходит другие амины, повышая энергоэффективность процессов реактивного улавливания CO2 .

«Преобразование CO2 в ценные продукты представляет собой перспективный путь к сокращению выбросов в различных отраслях промышленности», — пишут Пэн Ли, Юй Мао и их коллеги в своей статье. «Однако традиционные методы, включая последовательный электролиз CO2 или обратную реакцию конверсии водяного пара, требуют энергоёмкой очистки CO2 ; в то время как новые стратегии реактивного улавливания CO2 по -прежнему сталкиваются с трудностями в разработке оптимальных системных компонентов, обеспечивающих эффективную электрохимическую регенерацию без ущерба для каталитических характеристик».

«Мы систематически просматриваем широкий спектр абсорбентов на основе амина, чтобы разработать обоснование конструкции для тандемной очистки амином и электролиза CO2» .

В рамках своего исследования Ли, Мао и их коллеги использовали ряд аминных химикатов для улавливания CO2 и преобразования его в CO2. Они обнаружили, что пиперазин оказался наиболее эффективным средством для реактивного улавливания CO2 , обеспечив один из самых высоких показателей энергоэффективности, зарегистрированных на сегодняшний день.

«Мы идентифицируем пиперазин как оптимальную среду для улавливания и показываем, что его карбаматную форму можно напрямую восстановить с помощью одноатомного никелевого катализатора», — пишут авторы. «Этот промежуточный продукт с нейтральным зарядом способствует спонтанной адсорбции, быстрому переносу и эффективному разрыву связей C–N, обеспечивая стабильное производство монооксида углерода наряду с регенерацией амина in situ. Энергоэффективность процесса достигает ~48,8 ГДж на тонну CO, что открывает масштабируемый и энергоэффективный путь к получению углеродно-нейтрального химического сырья».

Пиперазин, амин, идентифицированный исследователями, как было обнаружено, способен автоматически регенерироваться, что может сократить отходы и затраты, связанные с реактивным улавливанием CO2 . Другие исследовательские группы вскоре смогут вдохновиться результатами этой группы и продолжить изучение потенциала пиперазина для улавливания и прямого преобразования CO2 в CO2 как в лабораторных, так и в реальных условиях. В будущем недавняя работа Ли, Мао и их коллег может способствовать надежному развертыванию устройств реактивного улавливания CO2 в крупных масштабах.