Оксид индия вместе с медью неплохо справляется с восстановлением углекислого газа до угарного с помощью водорода.

Основной источник энергии для человечества сейчас – ископаемое топливо. Мы сжигаем уголь, природный газ и нефтепродукты, чтобы получить тепло или выработать электричество. Но при сжигании чего-то, содержащего углерод, обязательно образуется углекислый газ, а он, как известно, способствует такой нехорошей вещи, как глобальное потепление.

Принципиальная схема обратной реакции конверсии водяного пара с химическим циклом (RWGS-CL). Илл.: Jun-Ichiro Makiura et.al., Chemical Science 2020.

Поскольку отказаться здесь и сейчас от использования углеродного топлива мы пока по разным причинам не можем, то приходится делать хоть что-то, чтобы концентрация углекислого газа в атмосфере росла не так быстро. Поэтому разрабатываются технологии, превращающие углекислый газ во что-нибудь полезное, например, в сырьё для химического синтеза. Но что это значит с химической точки зрения?

В молекуле углекислого газа CO₂ углерод прочно связан с двумя атомами кислорода. Чтобы от такого окисленного углерода была хоть какая-то химическая польза, от него нужно оторвать хотя бы один атом кислорода – превратить углекислый газ в газ угарный с формулой CO. Но для этого нужно затратить энергию, аналогичную той, которую мы бы получили, окислив угарный газ обратно до углекислого. Закон сохранения энергии, с которым всегда приходится считаться. Значит, для «чудесного» превращения углекислого газа в угарный нам нужен какой-то источник «чистой» энергии, которая не получена путём сжигания углеродного топлива. Предположим, что у нас он есть: какая-нибудь солнечная батарея или мощный ветрогенератор. Пусть даже мы с помощью «зелёного» электролиза получили из воды водород – газ, которым будем «химически» отрывать от углекислого газа один атом кислорода. Но и это ещё не всё.

Если взять углекислый газ, взять водород, смешать, погреть, потрясти и т.д., то мы, конечно, получим какое-то количество желанного нами угарного газа. Но, во-первых, его будет намного меньше, чем нам бы хотелось, а, во-вторых, это будет угарный газ вместе с исходными веществами и побочными продуктами реакции. Разделить полученную смесь можно, но на всё это потребуется затратить энергию, а её у нас и так дефицит. Чтобы выйти из этого затруднительного положения химики придумали метод, получивший название: обратная реакция конверсии водяного пара с химическим циклом (RWGS-CL).

Её суть состоит в том, чтобы разделить процесс отрыва атома кислорода от углекислого газа и его последующего «присоединения» к водороду на две отдельные стадии. Для этого необходимо использовать третье вещество, в роли которого обычно выступают оксиды металлов. В недавно опубликованной статье в журнале Chemical Science группа исследователей из университета Васэда и корпорации ENEOS предложила использовать для этой цели оксид индия, модифицированный медью. Как всё это работает?

На первой стадии углекислый газ вступает в реакцию с оксидом индия, который «отрывает» от CO₂ один кислород и присваивает его себе. На выходе получается чистый угарный газ, без лишних примесей. Когда оксид индия насыщается кислородом, его регенерируют газообразным водородом, «вытаскивающим» лишний кислород из оксида, в результате чего получается обычная вода, а оксид индия возвращается в «боевое» состояние. Дальше цикл можно повторять. По утверждению авторов работы, главным достоинством такой системы с оксидом индия и медью служит её способность работать при более низких температурах, чем у известных аналогов.

Спасёт ли нас один лишь оксид индия на пару с медью от глобального потепления? По крайней мере, не в обозримом будущем. Даже если весь добываемый на планете металл индий (а это порядка одной тысячи тонн) пустить на борьбу с углекислым газом, то его вклад в понижение количества CO₂ в атмосфере будет по приблизительным прикидкам на уровне одной тысячной от ежегодного объёма антропогенных выбросов CO₂.

Однако не стоит называть подобные разработки бесполезными. Даже если отбросить такие экзотические, но всё же более-менее реальные задачи, как обеспечение жизнедеятельности колоний на Марсе или Луне, подобные технологии определяют направление возможных поисков решения и земных проблем тоже.

По материалам Chemical Science