Концентрация CO₂ в разных источниках может отличаться в сотни раз — от 0,04% в воздухе до 10% в дымовых газах. К тому же в таких выбросах часто содержится кислород (около 10%), который мешает процессам преобразования углекислого газа. Чтобы достичь углеродной нейтральности, нужна технология, способная работать в любых условиях — и при низких, и при высоких концентрациях CO₂, даже в присутствии O₂. Пока такого решения не существовало, но ученые из Университета Хоккайдо и их коллеги создали систему, которая справляется с этой задачей.

Исследование опубликовано в журнале Industrial Chemistry & Materials.

Мы хотим разработать универсальный процесс, который сможет эффективно превращать CO₂ и NOx из выхлопных газов электростанций в полезные вещества с высоким выходом, — объясняет профессор Кен-ичи Симидзу.

Обычные методы улавливания и преобразования CO₂ (CCR) используют материалы с двойной функцией (DFM) — они захватывают углекислый газ и сразу же превращают его. Но у них есть серьезный недостаток: они плохо работают с высокими концентрациями CO₂ (больше 10%). Дело в том, что DFM-материалы, например, оксид кальция, поглощают CO₂ по всему объему, но реагирует только поверхностный слой карбонатов, а остальной CO₂ остается «запертым» внутри.

Новая система решает эту проблему за счет разделения процессов. Сначала CO₂ быстро поглощается цеолитовым адсорбентом, а затем полностью высвобождается при нагреве. После этого газ поступает в отдельный реактор, где вступает в реакцию с водородом. Ключевое преимущество — можно независимо оптимизировать условия для каждой стадии.

Результаты тестов:

• С катализатором Ni/CeO₂ при 300 °C выход метана (CH₄) достиг 92%, а селективность — более 99%.
• С катализатором Cu/ZnO/Al₂O₃ при 650 °C получили 93% CO с соотношением H₂/CO = 3,7 — это идеально для синтез-газа.
• Даже при улавливании CO₂ из воздуха (0,04%) система выдавала метан с концентрацией до 0,7%.

Синтез-газ — смесь водорода (H₂) и угарного газа (CO), которая служит основой для производства метанола, бензина и других химических продуктов.

Энергоэффективность системы — 46%, а КПД производства топлива — 83%, что выше, чем у аналогов. Важно и то, что она работает при обычном давлении и высоком содержании кислорода.

В будущем технологию можно адаптировать для синтеза метанола и сжиженного газа, комбинируя с другими катализаторами. Она подойдет как для крупных ТЭЦ, так и для небольших источников выбросов — например, офисных зданий.

Следующий шаг — испытания на реальных выхлопных газах, где есть NOx, пары воды и SO₂, — говорит Симидзу.

Эта разработка может серьезно повлиять на борьбу с выбросами:

• Для промышленности — позволит перерабатывать CO₂ из дымовых газов прямо на месте, снижая затраты на транспортировку.
• Для энергетики — даст возможность использовать углерод из воздуха для производства синтетического топлива.
• Для малого бизнеса — упростит создание локальных систем утилизации CO₂, например, в котельных.

Главный плюс — гибкость: система работает в любых условиях, где другие технологии пасуют.

Пока неясно, как система поведет себя в долгосрочной перспективе — например, при постоянном воздействии агрессивных примесей (SO₂, NOx). Кроме того, для масштабирования потребуются значительные инвестиции в инфраструктуру.

Ранее мы разбирались, как города выходят из углеродного тупика.