Представьте процесс, который ежегодно производит сотни миллионов тонн этилена — основы для пластиков, упаковки и тканей, но при этом является одним из главных промышленных источников углекислого газа. Теперь у нас может появиться способ это изменить. Исследователи из Национального университета Сингапура совершили прорыв, научившись превращать CO₂ в этилен с гораздо меньшими затратами энергии.

Команда под руководством ассистент профессора Лума Янвэя создала особый катализатор на основе меди. Ключевая хитрость — добавление крошечных количеств кобальта прямо под его поверхность. Эти вкрапления меняют поведение меди в ходе реакции, заставляя молекулы углекислого газа эффективнее и «дешевле» по энергозатратам собираться в молекулы этилена.

Подробности опубликованы в издании Nature Synthesis.

Внося точные изменения на атомном уровне, мы смогли сместить самый энергоемкий этап реакции, — объясняет ассистент профессор Лум. — Это делает весь процесс куда более практичным для промышленности.

Ученые испытали свой катализатор в компактном устройстве — мембранно-электродном блоке. Это слоистая система, где в контролируемых условиях встречаются реактивы, катализатор и электрический ток. Результаты впечатляют:

• Эффективность: система показала энергоэффективность более 25%.
• Стабильность: работала без сбоев более 140 часов.
• Универсальность: успешно справлялась даже с низкокачественным CO₂ из промышленных выбросов.

Это открытие стало логичным продолжением предыдущей работы команды, где они изучали поведение атомов водорода при превращении CO₂.

То фундаментальное исследование помогло нам понять, почему реакция часто «буксует», — говорит Лум. — Так у нас появилась четкая цель для создания улучшенного катализатора, и результат превзошел ожидания.

Расчеты показывают, что если использовать для процесса доступную возобновляемую электроэнергию, стоимость «зеленого» этилена может сравниться со стоимостью его производства из ископаемого топлива. А это уже серьезная заявка на изменение правил игры в одной из самых „грязных“ отраслей.

Главная потенциальная польза лежит в двух плоскостях: экологической и экономической. Во-первых, технология предлагает путь к замыканию углеродного цикла. Вместо выброса CO₂ в атмосферу его можно использовать как сырье на тех же химических или сталелитейных заводах, сокращая углеродный след. Во-вторых, она может усилить энергетическую автономию стран, не имеющих запасов нефти и газа, но обладающих избытком «зеленой» энергии (солнце, ветер). Этилен — это основа мировой полимерной индустрии. Способ производить его из воздуха и электричества — это шаг к декарбонизации целых цепочек создания стоимости, от химии до легкой промышленности.

Основной вопрос — масштабируемость. Успешные лабораторные испытания в компактном мембранно-электродном блоке в течение 140 часов — отличное начало, но до промышленного реактора, работающего тысячи часов подряд в условиях реальных, «нестерильных» выбросов — дистанция огромного размера. Предстоит решить инженерные задачи по долговечности катализатора, чистоты конечного продукта и интеграции всей системы в существующие промышленные потоки. Экономическое сравнение также пока гипотетично и сильно привязано к цене на „зеленую“ электроэнергию, которая значительно варьируется по миру.

Ранее ученые добились обратимости при катализе этилена.