Технология совмещенного улавливания и использования углерода (CCU) — это многообещающий путь к углеродной нейтральности. Но у нее есть слабое место: большинство исследований сосредоточено на создании новых материалов, игнорируя реальные условия. А в промышленных выбросах, помимо CO₂, всегда есть примеси — например, оксиды серы (SO₂) и азота (NO₂).

Именно их влиянию на работу новых материалов посвятила свое исследование группа ученых, статья которых вышла в журнале Industrial Chemistry & Materials.

Наша цель — понять, как SO₂ и NO₂ в дымовом газе влияют на процесс улавливания и утилизации углерода, — поясняет Хуэй Чжоу, доцент Университета Цинхуа.

Эти примеси — одни из главных загрязнителей, и уже доказано, что они серьезно влияют на эффективность улавливания и преобразования CO₂. Но почти никто не изучал их воздействие в комплексе, в условиях, приближенных к реальным. Команда провела серию экспериментов с разными концентрациями SO₂ и NO₂, чтобы выяснить, как загрязнители влияют на поглотитель-катализатор (так называемые dual-functional materials, DFM), и с помощью детального анализа понять механизм этого влияния.

Опыты в проточном реакторе показали любопытные результаты. Низкая концентрация SO₂ (100 ppm) почти не повлияла на конверсию CO₂, но при этом эффективно подавила побочные реакции разложения метана. Это привело к резкому снижению образования углеродного налета (кокса), который часто выводит катализаторы из строя. Более того, небольшое количество SO₂ даже улучшило стабильность работы материала при многократных циклах захвата CO₂. Однако когда концентрацию SO₂ повысили до 500 ppm, способность материала поглощать CO₂ и катализировать реакцию резко упала — после 10 циклов он был практически деактивирован.

С NO₂ картина оказалась схожей, но его негативный эффект был значительно слабее.

Разницу в поведении объяснила кинетика реакций. Ученые сравнили, как проходит конверсия метана в 1-м и 10-м циклах. Оказалось, что SO₂ быстро деактивирует каталитические центры. Но интересно, что эта деактивация сильнее подавляет именно разложение метана, а не основную реакцию. Поэтому преобразование CO₂ остается на прежнем уровне, а вот соотношение H₂/CO падает. Это и означает, что вредная побочная реакция, которая бездумно расходует метан и коксует катализатор, подавлена.

Чтобы заглянуть вглубь процесса, ученые провели серию экспериментов. In situ рентгеноструктурный анализ показал, что в начале стадии карбонизации образуется сульфат кальция (CaSO₄), который затем в восстановительной атмосфере превращается в сульфид кальция (CaS).

Динамические изменения серосодержащих видов показывают, насколько сложно понять внутренний механизм процесса ICCU, — отметил Чжоу.

Итогом работы стал вывод: и SO₂, и NO₂ способствуют образованию на поверхности наночастиц никеля слоя соединений кальция. Этот слой и блокирует активные центры, вызывая частичную или полную деактивацию материала.

В планах команды — использовать эти знания на практике.

Мы планируем создать новые материалы, устойчивые к SO₂ и NO₂, и испытать их на реальном дымовом газе. Мы уверены, что наши усилия помогут приблизить широкое промышленное применение технологий ICCU на электростанциях и других производствах, — поделился планами Хуэй Чжоу.

Реальная польза этого исследования — в его суровой практичности. Оно снимает розовые очки с фундаментальной науки и переносит проблему из лабораторного вакуума в мир грязных промышленных выбросов. Внедрение любой технологии упирается в ее стоимость и долговечность. Понимая, как именно примеси «убивают» дорогостоящие каталитические материалы, инженеры смогут:

1. Точно прогнозировать срок службы установок CCU на конкретном производстве, звая состав его выбросов.
2. Заранее планировать и оптимизировать систему очистки дымового газа. Вместо того чтобы пытаться удалить все примеси до нуля (что невероятно дорого), можно будет определить их критически допустимый уровень для работы катализатора и очищать газ ровно до этой концентрации, экономя миллионы.
3. Целенаправленно создавать новые, «закаленные» материалы, которые будут устойчивы к ядам. Это исследование дает четкий рецепт: нужно предотвратить образование пленки кальция на никелевых наночастицах.

В итоге это снижает финансовые риски и повышает инвестиционную привлекательность технологии CCU, что является ключевым фактором для ее реального внедрения.

Главное методологическое упущение работы — это проведение экспериментов с отдельными примесями (SO₂ и NO₂ по отдельности), в то время как в реальном дымовом газе они присутствуют одновременно. Химия сложных смесей неаддитивна; компоненты могут вступать в реакции друг с другом (образуя, например, сульфаты аммония), и их совместное воздействие на катализатор может быть синергичным  (значительно более разрушительным) или, наоборот, антагонистическим  (ослабляющим негативный эффект). Без данных о коктейльном эффекте SOₓ и NOₓ прогностическая ценность исследования для настоящих промышленных условий остается ограниченной. Логичным следующим шагом должны стать испытания в среде, содержащей обе примеси сразу.

Ранее мы разбирались, как города выходят из углеродного тупика.