Американские химики предложили принципиально новое решение этих проблем, впервые в мировой практике получив топливо из углекислого газа и воды в ходе одноступенчатого процесса. Для этого учёные использовали проточный химический реактор, через который пропускали углекислый газ и водяной пар. Сквозь прозрачную верхнюю стенку внутрь реактора подавали концентрированный зеркалами солнечный свет, нагревавший его содержимое до 180—200 градусов Цельсия.
Давление внутри рабочей камеры поддерживалось в диапазоне от одной до шести атмосфер. В качестве катализатора химики применили смесь из 95-процентных титановых белил и 5-процентного кобальта. При этом до 13 процентов массы поступавших в реактор веществ преобразовались в углеводороды, в частности пентан и более тяжёлые, например, октан (важный компонент бензинов).
Главным катализатором в новом процессе является широко распространённая в природе двуокись титана (титановые белила). К тому же из-за одноступенчатости суммарное КПД метода стало существенно выше, чем у предшественников. Разработчики намерены в ближайшее время дополнительно увеличить его, оптимизировав процесс за счёт адаптации катализатора для более полного использования энергии солнечного света. По оценкам руководителя исследовательской группы, после этого получение углеводородов по такой схеме станет коммерчески целесообразным даже в условиях невысоких рыночных цен на нефть.
Ученые из Техасского университета в Арлингтоне сумели получить топливо из тяжелых углеводородов с использованием энергии света. Результаты исследования опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
Ученые смогли добиться фотохимического синтеза углеводородов с длинными углеродными цепочками — вплоть до 13 атомов углерода. В основе метода лежал процесс Фишера-Тропша, в котором оксид углерода и водород в присутствии катализатора преобразуются в жидкие углеводороды. Ранее таким способом получали соединения преимущественно только с одним атомом углерода. Чтобы получить более тяжелые углеводороды, исследователи решили изменить такие условия проведения реакции, как температура и давление.
Реакции проводились в фотохимическом реакторе, который представлял собой прозрачную трубку с наполнителем из крошечных стеклянных шариков. Ученые покрывали шарики тонким слоем фотокаталитической смеси из TiO2 и пятипроцентного Co(NO3)2. Затем через трубку пропускали пар и углекислый газ, при этом реактор освещали четыре ультрафиолетовые лампы мощностью в 250 Ватт. После проведения реакции газовая смесь пропускалась через конденсатор, где происходила экстракция продуктов. Ученые анализировали их с помощью газовой хроматографии и масс-спектрометрии.
Результаты показали, что при температуре 110-200 градусов Цельсия происходило образование двух- и трехуглеродных продуктов. При этом уменьшение отношения парциальных давлений воды и углекислого газа с 1,2 до 0,6 в 14 раз увеличило выход пропанола (C3H7OH), а также привело к появлению в газовой смеси пентанола (C₅H₁₁OH). Так как система не была предназначена для температур выше 220 градусов Цельсия, ученые проверили, каким окажется выход продуктов при увеличении давления до 6,1 атмосфер. Этим исследователи смогли добиться синтеза таких тяжелых углеводородов, как C9H12, C10H20O2 и C13H12. В целом, свыше 13 процентов всех продуктов составляли соединения с цепочкой из более чем пяти атомов углерода.
Ученые подчеркивают, что в настоящее время их метод является экономически нецелесообразным, однако в будущем он может стать перспективной технологией фотохимического получения синтетического топлива, которая будет недорогой по сравнению с существующими технологиями извлечения солнечной энергии.
In the new study, the researchers showed that the reduction half-reaction can be achieved with perfect efficiency on specially designed 50-nm-long nanorods placed in a water-based solution under visible light illumination. The light supplies the energy required to drive the reaction forward, with the nanorods acting as photocatalysts by absorbing the photons and in turn releasing electrons needed for the reaction.
The 100% efficiency refers to the photon-to-hydrogen conversion efficiency, and it means that virtually all of the photons that reach the photocatalyst generate an electron, and every two electrons produce one H2 molecule. At 100% yield, the half-reaction produces about 100 H2 molecules per second (or one every 10 milliseconds) on each nanorod, and a typical sample contains about 600 trillion nanorods.