Хіміки продемонстрували технологію, яка буквально витягує вуглекислий газ із повітря і «замикає» вуглець у твердий стан – наприклад, у вигляді графіту. Як повідомляє ScienceAlert, тепер дослідникам вперше вдалося спостерігати цей процес на молекулярному рівні в режимі реального часу.
Ключем є електроліз у розплавлених солях: сильно нагріті солі під напругою реагують із CO₂, розриваючи зв’язки між атомами вуглецю й кисню та зв’язуючи вуглець у твердий матеріал. Так можна утворювати графіт та інші форми вуглецю, потрібні для батарей та промисловості.
Як вдалося «зазирнути» в реакцію
Десятиліттями науковці обговорювали, що саме відбувається всередині такої системи при приблизно 500 °C, але прямих спостережень не було. У роботі, опублікованій у журналі Nature Communications, команда під керівництвом хімічного фізика Сандера Ратсо (Sander Ratso) з Каліфорнійського університету в Берклі описала метод, який дав змогу стежити за перетвореннями вуглецю прямо під час реакції.
Дослідники застосували так звану operando Raman-мікроскопію. Ця техніка поєднує електроліз у розплавлених солях із Raman-спектроскопією, що фіксує коливальні стани хімічних зв’язків у молекулах. По суті, вчені «вставили вікно» в реакційну камеру і змогли одночасно бачити, як формується вуглець, і зчитувати сигнали від проміжних сполук.
Такий підхід дав безпрецедентно детальну картину того, як змінюється вуглець і проміжні сполуки під час електролізу CO₂. Команда виявила, що процес іде за двоступеневим механізмом.
Пероксид як ключовий проміжний етап
Аналіз Raman-спектрів показав характерні смуги випромінювання, які з’являлися в момент, коли вуглець починав осідати на катоді. Ці смуги відповідали пероксиду, адсорбованому на поверхні вуглецю.
Ще в 1999 році науковці висували гіпотезу, що пероксид може бути проміжною ланкою в перетворенні CO₂ на твердий вуглець. Тепер команда Ратсо отримала прямі свідчення цього: інтенсивність «пероксидної» смуги зростала одночасно з наростанням осаду вуглецю.
Автори роботи зазначають, що така поведінка сигналу дає переконливі докази: саме пероксид виступає механістичним проміжним продуктом у шляху перетворення CO₂ на вуглець за їхніх умов.
Різні метали – різні форми вуглецю
Хоча загальний механізм реакції зберігався, тип катода суттєво впливав на те, якою саме буде кінцева форма осадженого вуглецю.
- На катоді з чистого нікелю вчені спостерігали вуглецеві нанотрубки та пластинчасті структури.
- Сплав Inconel 600 майже повністю давав пластинчастий вуглець.
- Золоте електродне покриття приводило до утворення переважно «аморфних» грудок вуглецю.
- Катод із вольфраму утворював ще більше аморфного вуглецю, а також так звані «вуглецеві наноцибулини» (carbon nano-onions).
Ці спостереження важливі тим, що дозволяють цілеспрямовано налаштовувати процес залежно від того, яку форму вуглецю потрібно отримати – наприклад, для акумуляторів, смартфонів чи промислового обладнання.
Від лабораторії до промислового масштабу
За словами геонауковця Майка Віттакера (Mike Whittaker) з Лабораторії ім. Лоуренса в Берклі, це «велика перемога» у ширших зусиллях із синтезу критично важливих матеріалів для батарей за допомогою розплавлених солей.
Деякі компанії вже використовують подібну технологію в промислових масштабах, виробляючи від кілограмів до тонн вуглецевих продуктів. Сам Ратсо є співзасновником однієї з таких компаній. Однак, за його словами, нині більшість підприємств зосереджені на окремих видах продуктів, а умови синтезу підбиралися здебільшого методом «спроб і помилок».
Зазвичай матеріал спочатку синтезують, потім аналізують його структуру, змінюють параметри процесу і повторюють цикл. Це робить оптимізацію повільною та дорогою, а також обмежує різноманіття й якість можливих матеріалів. Дані operando Raman-спектроскопії можуть істотно прискорити й здешевити цей процес, даючи інженерам чіткіші орієнтири.
Потенціал для зменшення вуглецевого сліду
Сучасні методи виробництва вуглецю для батарей і паливних елементів супроводжуються великими «еквівалентами CO₂» – тобто високими викидами на кожен кілограм матеріалу. На цьому тлі ідея отримувати графіт безпосередньо з атмосферного CO₂ виглядає особливо привабливою: вона може не лише зменшити майбутні викиди, а й частково забирати з атмосфери вже наявний вуглекислий газ.
Фахівці наголошують, що самі по собі технології уловлювання, використання та зберігання вуглецю не здатні повністю розв’язати кліматичну кризу. Однак Ратсо вважає, що електроліз CO₂ в розплавах солей може стати важливим елементом ширшого набору рішень.
На його думку, якщо живити такий процес енергією вітру, сонця чи атомних електростанцій, можна досягти навіть «від’ємних» вуглецевих еквівалентів – тобто виробляти корисні матеріали, одночасно зменшуючи загальний вміст CO₂ в атмосфері. Дослідник переконаний, що це одна з найперспективніших технологій, здатних реально вплинути на рівень парникових газів у навколишньому середовищі.