Вчені створили спосіб перетворення CO₂ на цемент

Дослідники з Мічиганського університету спільно з колегами з Каліфорнійського університету в Девісі та Лос-Анджелесі створили новий метод перетворення вуглекислого газу на цінні матеріали для виробництва цементу. Команда під керівництвом хіміка Чарльза МакКрорі розробила процес, який дозволяє захоплювати діоксид вуглецю та перетворювати його на оксалати металів.

Це дослідження проводилося в рамках Центру замкнення вуглецевого циклу, який фінансується Міністерством енергетики США. Одна з цілей центру полягає у вивченні методів захоплення та перетворення вуглекислого газу на цінні паливні матеріали та продукти.

МакКрорі, доцент кафедри хімії та макромолекулярної науки та інженерії, пояснює суть дослідження: «Це дослідження показує, як ми можемо взяти вуглекислий газ, який, як усі знають, є відходом з мінімальною або нульовою цінністю, і перетворити його на щось цінне. Ми не просто беремо вуглекислий газ і закопуємо його, ми беремо його з різних джерел і перепрофілюємо для чогось корисного».

Традиційний портландський цемент виготовляється з вапняку та мінералів, таких як силікати кальцію. Виробництво такого цементу має відносно великі енергетичні витрати та вуглецевий слід. Дослідники шукали способи перетворення вуглекислого газу на матеріали, які можна використовувати для виробництва альтернативних цементів.

Оксалати металів, які є простими солями, можуть використовуватися як альтернативні попередники цементу. Вчені знали, що свинець можна використовувати як каталізатор для перетворення вуглекислого газу на оксалати металів. Однак цей процес потребував великих кількостей свинцевих каталізаторів, що становить загрозу для навколишнього середовища та здоров'я людини.

Команда змогла використати полімери для контролю середовища навколо свинцевих каталізаторів, зменшивши кількість необхідного свинцю до частин на мільярд. Це рівень слідової домішки свинцю, який знаходиться у багатьох комерційних пористих графітових та вуглецевих матеріалах.

МакКрорі спеціалізується на контролі мікросередовища навколо каталітичних центрів. Контролюючи мікросередовище, він може налаштовувати активність каталізатора. Дослідники показали, що контролюючи мікросередовище навколо свинцевого каталізатора в хімічній реакції перетворення вуглекислого газу на оксалат, вони можуть значно зменшити кількість свинцю, необхідного для процесу.

Для виробництва оксалату з вуглекислого газу дослідники використовують набір електродів. На одному електроді вуглекислий газ перетворюється на оксалат, який є іоном, розчиненим у розчині. Інший електрод є металевим електродом, який окислюється та вивільняє іони металу, які зв'язуються з іоном оксалату та випадають з розчину як тверді оксалати металу.

«Ці іони металу поєднуються з оксалатом, утворюючи тверду речовину, і ця тверда речовина випадає з розчину», пояснює МакКрорі. «Це продукт, який ми збираємо і який можна змішувати як частину процесу виготовлення цементу».

Хесус Веласкес, співавтор дослідження та доцент хімії в Каліфорнійському університеті в Девісі, зазначає: «Оксалати металів представляють недостатньо досліджену область, служачи альтернативними цементними матеріалами, попередниками синтезу та навіть рішеннями для зберігання вуглекислого газу».

Анастасія Александрова, професор хімії та матеріалознавства в Каліфорнійському університеті в Лос-Анджелесі, додає: «Каталізатори часто відкриваються випадково, а успішні промислові формулювання часто дуже складні. Ці коктейльні каталізатори відкриваються емпірично методом спроб і помилок. У цій роботі ми маємо приклад слідової домішки свинцю, яка фактично є каталізатором».

МакКрорі підкреслює, що після перетворення вуглекислого газу на тверді оксалати металу він не буде повторно вивільнятися в атмосферу як вуглекислий газ за нормальних умов. «Це справжній процес захоплення, тому що ви робите з нього тверду речовину. Але це також корисний процес захоплення, тому що ви робите корисний і цінний матеріал, який має подальші застосування».

Дослідники вважають, що процес можна масштабувати. Наступні кроки включатимуть подальше вивчення того, як масштабувати частину процесу, яка виробляє твердий продукт. «Ми ще далеко, але я думаю, що це масштабований процес», каже МакКрорі. «Частина причини, чому ми хотіли зменшити свинцевий каталізатор до частин на мільярд, полягає у проблемах масштабування каталізатора з величезними кількостями свинцю. Інакше це не було б екологічно розумно».