«Зеленый метан» с помощью искусственного фотосинтеза из CO2

гринметан

 

Метан является основным компонентом природного газа. Фотосинтез – это процесс, посредством которого зеленые растения используют солнечный свет для создания питательных веществ из углекислого газа и воды, выделяя кислород в качестве побочного продукта. Искусственный фотосинтез часто направлен на получение углеводородного топлива, аналогичного природному газу или бензину, из одних и тех же исходных материалов.

Метод генерации метана стал возможен благодаря новому катализатору, разработанному при сотрудничестве Университета Мичигана, Университета Макгилла и Университета МакМастера.

Катализатор солнечной энергии сделан из распространенных материалов и работает в конфигурации, которая может быть массово произведена. Исследователи считают, что смогут перерабатывать дымовые газы в чистое топливо в течение 5-10 лет.

«Тридцать процентов энергии в США поступает из природного газа», – сказал Зетиан Ми, профессор электротехники и компьютерных наук Университета Великобритании, который руководил работой совместно с Джун Сонгом, профессором материаловедения в университете Макгилла. «Если мы сможем генерировать зеленый метан, это большое дело».

Главное преимущество состоит в том, что команда использует относительно большие электрические токи в устройстве, которое должно работать в массовом производстве. Также электричество расходуется эффективно на образование метана, причем половина доступных электронов направляется на реакции, производящие метан, а не на побочные продукты, такие как водород или окись углерода.

«Предыдущие устройства для искусственного фотосинтеза часто работают при небольшой доле максимальной плотности тока кремниевого устройства, тогда как здесь мы используем 80 или 90 процентов от теоретического максимума, используя готовые материалы и доступные катализаторы», – сказал Баовен Чжоу, научный сотрудник в группе Ми, работающей над этим проектом.

Превращение углекислого газа в метан – очень сложный процесс. Углерод должен быть получен из CO2, что требует много энергии, потому что углекислый газ является одной из самых стабильных молекул. Аналогично, H2O должен быть разрушен, чтобы присоединить водород к углероду. Каждая молекула углерода нуждается в четырех атомах водорода, чтобы стать метаном, что создает сложный восьмиэлектронный танец (каждая углерод-водородная связь содержит два электрона и четыре связи).

Конструкция катализатора имеет решающее значение для успеха реакции.

«Вопрос на миллион долларов заключается в том, как быстро перемещаться по огромному пространству материалов, чтобы определить оптимальный рецепт», – сказал Сонг.

Теоретическая и вычислительная работа его команды определила ключевой компонент катализатора: наночастицы меди и железа. Медь и железо удерживают молекулы своими атомами углерода и кислорода, выигрывая время у водорода, чтобы совершить прыжок из фрагментов молекулы воды на атом углерода.

Устройство представляет собой своего рода солнечную панель, усеянную наночастицами меди и железа. Он может использовать энергию солнца или электрический ток для расщепления углекислого газа и воды.

Базовый слой представляет собой кремниевую пластину, мало чем отличающуюся от уже существующих в солнечных панелях. Эта пластина покрыта нанопроволоками, каждая длиной 300 нанометров (0,0003 миллиметра) и шириной около 30 нанометров, изготовленными из полупроводникового нитрида галлия.

Расположение создает большую площадь поверхности, на которой могут происходить реакции. Нанопроволоки с наночастицами покрыты тонкой пленкой воды.

Устройство может быть спроектировано для работы только от солнечной энергии, или производство метана может быть увеличено за счет дополнительного электричества. В качестве альтернативы, устройство может работать в темноте.

На практике панель искусственного фотосинтеза должна быть подключена к источнику концентрированной двуокиси углерода – например, двуокиси углерода, захваченной из промышленных дымовых труб. Устройство также может быть сконфигурировано для производства синтетического природного газа (синтез-газа) или муравьиной кислоты, обычного консерванта в кормах для животных.

 

https://econet.ru/articles/zelenyy-metan-s-pomoschyu-iskusstvennogo-fotosinteza-iz-co2


21.01.2020