Нові каталізатори допоможуть перетворити діоксид вуглецю на паливо.
Щоб отримати енергію, як правило, необхідно що-небудь спалити: звичайні автомобілі спалюють паливо в двигунах внутрішнього згоряння, електромобілі заряджають свої батареї від електрики, що надходить, наприклад, на ТЕЦ, де спалюють природний газ, і навіть нам для м'язової або розумової роботи треба «спалити» всередині себе з'їдений сніданок.
У будь-якому органічному паливі, будь то бензинові вуглеводні або вуглеводи з шоколадки, містяться атоми вуглецю, які в кінці свого енергетичного шляху перетворюються на вуглекислий газ. Ну а газ, в свою чергу, відправляється в атмосферу, де він може накопичуватися і викликати всякі нехороші ефекти на кшталт глобального потепління.
З енергетичної точки зору вуглекислий газ абсолютно марний, оскільки вуглець в ньому повністю «згорів», міцно і нерозривно пов'язавши себе з двома атомами кисню. Горіти він вже не горить, і єдине що з ним можна зробити - втопити або закопати. Втопити його можна, розчинивши в океані - і це дійсно один із способів утилізації СО2. Інший спосіб - закачати його під високим тиском під землю, бажано там, де є нафтові родовища; це дозволить підвищити віддачу нафтових пластів і допоможе видобути більше нафти. Однак хіміки все ж знайшли спосіб «зварити кашу з сокири» - існує третій шлях утилізації СО2, коли його перетворюють на паливо.
Щоб перетворити СО2 на паливо, потрібно «похимичити» з молекулою вуглекислого газу, наприклад, відібрати у неї один атом кисню. Тоді вуглекислий газ перетвориться на чадний газ СО. Незважаючи на те, що для більшості чадний газ - це «той газ, від якого періодично гинуть неакуратні користувачі дров'яних печей», у промисловості його використовують у різних процесах: по-перше, його можна спалити і отримати енергію, по-друге, його можна використовувати в металургійних процесах, а по-третє, з нього можна синтезувати різні органічні молекули, в тому числі і рідке паливо. Якраз останній пункт і відкриває перед вуглекислим газом нафтохімічні перспективи.
Однак варто зауважити, що використання чадного газу в хімічних цілях не є щось зовсім нове. Ще на зорі ХХ століття німецькі хіміки Франц Фішер і Ганс Тропш розробили спосіб, як зі звичайного вугілля отримати рідке паливо: спочатку з кам'яного вугілля і води отримують синтез-газ - так називається суміш чадного газу і водню, а потім за допомогою каталізатора з синтез-газу отримують різні вуглеводні. Цей спосіб був затребуваний, коли звичайної нафти не вистачало, проте з часом, у другій половині двадцятого століття метод отримання палива з вугілля стала просто дорогою альтернативою «класичним» нафтопереробним технологіям. Але якщо в процесі Фішера-Тропша в якості сировини використовують кам'яне вугілля, яке саме по собі є корисним копалиною, то хіміки з Массачусетського технологічного інституту для тієї ж мети - отримання синтез-газу - розробили спосіб, що дозволяє робити його з «непотрібного» вуглекислого газу.
Такі речі неможливі без використання каталізаторів, і, щоб отримати працюючий каталізатор, хімікам часом доводиться йти на різні хитрощі. Справа в тому, що, крім певного хімічного складу, для каталізатора дуже важлива його внутрішня структура. Якщо говорити спрощено, каталізатор, нанесений на рівну поверхню, може виявитися неробочим, а от якщо його нанести на пористу поверхню, і якщо у пір при цьому буде певний розмір, то тоді він зможе заробити в повну силу.
Для того щоб створити такий каталізатор, хіміки взяли електропровідний матеріал як підкладку і нанесли на нього шар з полістирольних кульок діаметром близько 200 нанометрів. Після чого порожнечі, що залишилися в просторі між кульками, заповнили атомами срібла. (В якості аналогії можна уявити, що ми насипали на підлогу шар з більярдних куль, а потім все зверху залили рівним шаром розплавленого парафіну.) Тепер, щоб отримати пористий субстрат, потрібно якимось чином прибрати з матеріалу всі кульки, залишивши в цілості решту структуру. У випадку з більярдними кулями це було б досить проблематично, а ось у випадку з полістирольними кульками все виявилося набагато простіше - і в підсумку після видалення полістиролу на поверхні електрода вийшла осередкова структура зі срібла з «сотами» певного розміру.
Подібний матеріал, як виявилося, добре перетворює вуглекислий газ на синтез-газ, причому ефективність і селективність каталізатора управляється за рахунок розміру сот: якщо на етапі синтезу каталізатора взяти полістирольні кульки покрупніше, то після реакції вийде один склад продуктів, а якщо помільніше - то інший. Детально результати досліджень опубліковані в журналі Angewandte Chemie.
І начебто все добре, і людство повинно б святкувати перемогу над викидами парникових газів, а кожну трубу, яка чадить в атмосферу продуктами згоряння, потрібно обладнати подібним срібним каталізатором, але все-таки варто зробити одне зауваження. Один з важливих законів, за яким живе навколишній нас світ - закон збереження: маса та енергія не виникають нізвідки і не пропадають в нікуди. Це справедливо і для атомів хімічних елементів, і для тепла, що виробляється при спалюванні палива, і для електричної енергії. Тому скільки енергії виходить при спалюванні чадного газу до вуглекислого, як мінімум, стільки ж енергії потрібно витратити (спрощено), щоб перетворити молекулу вуглекислого газу назад в молекулу чадного. І очевидно, що для такої, загалом-то, «зеленої» технології з утилізації парникового газу потрібне своє джерело енергії, яке як мінімум не «почало» б в атмосферу стільки СО2, скільки можна було б перетворити на корисний продукт.
Звідки взяти енергію для перетворення одного газу в інший? Наприклад, від вітряних або сонячних енергоустановок, які виробляють енергію, але не викидають в атмосферу продукти згоряння палива - в результаті це дозволило б зменшити загальну кількість вуглекислого газу.
Забавно, що подібною діяльністю займалися стародавні рослини і бактерії, які поглинали знаходився тоді в надлишку в атмосфері вуглекислий газ, і перетворили його в органічні речовини, що стали потім викопним паливом. Можливо, людству в майбутньому доведеться займатися чимось схожим, але тільки вже з використанням хімічних технологій.