Углекислый газ принято считать врагом. О нём говорят с тревогой, его выбросы пытаются сократить, а заводы пугают углеродным налогом. Но что, если перестать бояться CO₂ и начать воспринимать его как бесплатное сырьё, которое буквально валяется под ногами? Именно так подошли к делу материаловеды из трёх ведущих российских научных центров: НИТУ МИСИС, Института биохимической физики РАН и Сколтеха. Они не стали изобретать вечный двигатель или ловить углекислоту гигантскими пылесосами, а создали компактный и удивительно живучий катализатор, способный превращать вредный выброс в ценнейший полуфабрикат для синтетического топлива. Причём работает эта штука без перебоев больше двух суток и со временем не деградирует, а наоборот, учится новым трюкам. Результат этой кропотливой работы уже привлёк внимание не только академических журналов, но и промышленников, уставших от вечных разговоров про «зелёную повестку» без конкретных технических решений. Похоже, на горизонте замаячил реальный шанс превратить экологическую проблему в коммерчески выгодную историю.
Якоря из дефектов и наноброня из бора
Когда речь заходит о превращении стабильной молекулы CO₂ во что-то полезное, без катализатора не обойтись. Это как пытаться развести костёр из сырых дров: спичку бросишь — не загорится, нужен ускоритель в виде сухой щепы. Роль такой «щепы» для углекислого газа уже давно выполняют металлы платиновой группы, но платить за ускоритель приходится бешеными деньгами. Учёные из лаборатории «Неорганические наноматериалы» НИТУ МИСИС под руководством профессора Дмитрия Штанского пошли на хитрость, которую в быту назвали бы «скульптурной лепкой на микроуровне». Они взяли доступное и дешёвое железо в качестве основной рабочей лошадки и добавили к нему менее одного атомного процента платины — буквально щепотку благородного металла, чтобы реакция шла бодрее и чище. Получились крошечные биметаллические частицы, которые сами по себе прекрасно справляются с расщеплением молекулы углекислого газа, но обладают дурной привычкой слипаться при высоких температурах в бесформенные и бесполезные комки. И вот тут на сцену выходит второй герой — подложка из гексагонального нитрида бора.
Нитрид бора — материал с довольно скучной репутацией в быту, его в основном используют как твёрдую смазку или добавку в косметику, чтобы пудра ложилась ровнее. Однако в мире нанотехнологий его двумерные слои ценятся за фантастическую термическую стойкость и умение оставаться инертным почти в любой агрессивной среде. Но российские исследователи нашли ему новое, куда более элегантное применение. Они специально создали на поверхности этого гладкого, похожего на графит материала искусственные дефекты — микроскопические ямки и неровности. Представьте себе идеально ровную парковку, на которой ветер (в нашем случае — тепловая энергия реакции) сдвигает машины друг к другу, пока не образуется одна большая куча железа. А теперь представьте, что на асфальте выдолбили лунки — машины встают в них колёсами и уже никуда не катятся, сколько ветром ни дуй. Эти нанодефекты работают точно так же, надёжно фиксируя частицы железо-платина на своих местах, не давая им спекаться даже при рабочей температуре в пятьсот градусов Цельсия.
Но и это ещё не всё. Инженерная мысль подкинула ещё один сюрприз, который вскрылся уже во время наблюдений за работой катализатора в просвечивающем электронном микроскопе. Исследователи заметили, что под действием высокой температуры тончайшие слои нитрида бора начинают буквально оборачиваться вокруг металлических частиц, формируя защитную оболочку. Как пояснил Антон Конопацкий, научный сотрудник лаборатории и один из ключевых авторов разработки, этот процесс превращает структуру в так называемую «ядро-оболочку». «Мы впервые использовали нитрид бора в качестве носителя для каталитически активных наночастиц железо-платина, — рассказал учёный в беседе с пресс-службой университета. — Одна из особенностей полученного гетерогенного материала состоит в том, что после синтеза размер частиц железо-платина составляет всего 2 нанометра. За счет столь малого размера эти частицы распределяются по поверхности нитрида бора очень равномерно». Получается своеобразная «наноброня», которая не только препятствует слипанию, но и обеспечивает стабильность работы реактора на протяжении более чем пятидесяти часов без малейших признаков усталости. Для химической технологии, где каждый час простоя стоит огромных денег, это серьёзная заявка на успех.
Как катализатор научился делать бензин без спроса
В мире химического катализа принято считать, что если настроил процесс на производство одного вещества, то будь добр получать именно его, и ни граммом больше. Отклонения от плана, как правило, считаются браком и ведут к остановке конвейера. Однако творение коллектива НИТУ МИСИС решило нарушить этот неписаный закон самым нахальным образом. В первые часы работы материал ведёт себя как примерный ученик, выдавая на-гора почти исключительно монооксид углерода, более известный широкой публике как угарный газ. Для химика или технолога-нефтяника это звучит не как страшилка из новостей про неисправные печки, а как музыка. CO — это основа синтез-газа, того самого «бульона», из которого по технологии Фишера-Тропша варят всё что угодно: от метанола и этанола до вполне себе автомобильного синтетического бензина и дизеля. Фактически, катализатор берёт дармовой или даже вредный углекислый газ и превращает его в универсальный полуфабрикат для целой отрасли органического синтеза. Казалось бы, вот он, идеальный результат, можно писать отчёт и получать премию.
Но примерно к исходу вторых суток непрерывного гудения в реакторе учёные зафиксировали странную аномалию. На выходе из установки, помимо привычного угарного газа, начали появляться более сложные молекулы — те самые углеводороды, которые уже без лишних посредников могут отправляться прямиком в топливный бак. Иными словами, катализатор начал производить не просто сырьё для будущего бензина, а нечто уже очень близкое к готовому продукту. При этом никто не трогал настройки, не повышал давление и не менял температурный режим. Профессор Штанский, комментируя этот неожиданный, но приятный поворот, объяснил суть происходящего с точки зрения физики твёрдого тела: «Во время реакции катализатор частично перестраивает свою кристаллическую структуру, что приводит к появлению активных участков поверхности, способствующих образованию углеводородов». Проще говоря, железо-платиновая начинка под воздействием рабочей среды и температуры слегка перекристаллизовалась, в ней возникли новые грани, которые оказались талантливы не только к разрыву связи в CO₂, но и к сборке новых углерод-углеродных связей.
Это свойство даёт технологам в руки невероятно гибкий инструмент. Представьте себе заводскую линию, где в одном и том же аппарате, просто давая реакции идти чуть дольше обычного, можно менять конечный продукт с базового химиката на готовое топливо. Не нужно ставить дополнительные колонны синтеза или гонять газы по трубам, экономя гигакалории тепла и тысячи тонн металла. Конечно, до промышленного внедрения ещё далеко, и 50 часов стабильности — это лишь первый рубеж на долгом пути к непрерывным циклам длиной в месяцы. Но сам факт эволюции материала в процессе работы, его способность адаптироваться и менять профиль производства в нужную нам сторону — это не просто научная публикация, а смена парадигмы. Вместо того чтобы бояться изменения структуры катализатора как неизбежной деградации, учёные показали, что этот процесс можно оседлать и заставить работать на себя. Дмитрий Потёмкин из Института катализа СО РАН, не принимавший участия в этом конкретном исследовании, но много лет работающий над смежной тематикой, не раз отмечал в своих выступлениях, что будущее за процессами, где синтез-газ получают из двуокиси углерода и водорода, полученного экологичным путём. Разработка НИТУ МИСИС — как раз тот самый кирпичик, которого не хватало в фундаменте этой будущей зелёной экономики.
Дорога от лабораторной колбы до заводской трубы
Когда читаешь новости о прорывных катализаторах, в голове невольно всплывает образ одинокого учёного в очках, который колдует над пробиркой, где происходит волшебство, недоступное простым смертным. Реальность, как всегда, прозаичнее и одновременно сложнее. Сейчас синтезированный в стенах МИСИС материал существует в количестве нескольких граммов — этого достаточно, чтобы изучить его поведение в идеальных лабораторных условиях, но катастрофически мало для того, чтобы накормить топливом хотя бы один трактор. Перед командой разработчиков стоит классическая инженерная задача масштабирования: нужно понять, как воспроизвести ту же самую наноструктуру с равномерным распределением частиц, но уже не в крошечном тигле, а в реакторе объёмом в кубометры, сохранив при этом все уникальные свойства дефектного нитрида бора. Это всегда самое болезненное место: в химии закон квадрата-куба работает безжалостно, и то, что прекрасно показывало себя на милиграммах, в килограммовых загрузках может повести себя непредсказуемо, например, перегреться локально и выйти из строя из-за банальных проблем с теплоотводом.
К чести исследователей, они прекрасно понимают этот вызов и не строят иллюзий о завтрашнем внедрении. Ректор НИТУ МИСИС Алевтина Черникова, говоря о работе коллектива профессора Штанского, подчеркнула именно прикладной вектор и выверенный прагматизм учёных. «Коллектив исследователей под руководством выдающегося ученого, профессора Дмитрия Штанского разработал технологию, которая поможет снизить техногенную нагрузку на окружающую среду. Инновационный метод преобразования углекислого газа в топливо и химическое сырье будет востребован в “зеленой” энергетике», — заявила она. И в этих словах нет преувеличения. Если посмотреть на карту российских промышленных выбросов, станет очевидно, что потенциальных «клиентов» для такого катализатора более чем достаточно. Взять хотя бы металлургические комбинаты, которые выбрасывают в атмосферу колоссальные объёмы CO₂ с высокой концентрацией. Установка блока каталитической конверсии на таком предприятии позволила бы не просто сократить платежи за вредные выбросы, но и получать из дыма собственное синтетическое топливо, снижая зависимость от закупок дорожающего дизеля для карьерных самосвалов.
В контексте мировых разработок российский катализатор смотрится очень достойно именно за счёт своей «живучести» и способности к самоорганизации. Например, учёные из Швейцарской высшей технической школы Лозанны могут похвастаться стабильностью в две тысячи часов, но их материал работает при восьмистах градусах и требует огромных энергозатрат на нагрев. Российский вариант, хоть и уступает в долгожительстве на текущем этапе, выигрывает за счёт более мягких условий и той самой уникальной эволюции, которая открывает путь к прямому синтезу углеводородов. Сейчас в лаборатории идут эксперименты по подбору оптимального соотношения платины и железа, чтобы ещё больше снизить себестоимость и увеличить срок службы. Кроме того, отрабатываются режимы, при которых переход от выработки СО к углеводородам происходит более управляемо и предсказуемо. Если эти инженерные задачи будут решены, мы получим технологию, способную замкнуть углеродный цикл не в далёком будущем, а в обозримой перспективе ближайшего десятилетия. И тогда аббревиатура CO₂ перестанет быть пугающим символом техногенной катастрофы, а станет маркировкой ценного сырья, которое, как выяснилось, всё это время валялось у нас под ногами.
Подписывайтесь на канал, чтобы не пропустить новые статьи и ставьте нравится.
