Оксид индия вместе с медью неплохо справляется с восстановлением углекислого газа до угарного с помощью водорода.

Принципиальная схема обратной реакции конверсии водяного пара с химическим циклом (RWGS-CL). Илл.: Jun-Ichiro Makiura et.al., Chemical Science 2020.

Открыть в полном размере
Основной источник энергии для человечества сейчас – ископаемое топливо. Мы сжигаем уголь, природный газ и нефтепродукты, чтобы получить тепло или выработать электричество. Но при сжигании чего-то, содержащего углерод, обязательно образуется углекислый газ, а он, как известно, способствует такой нехорошей вещи, как глобальное потепление.

Поскольку отказаться здесь и сейчас от использования углеродного топлива мы пока по разным причинам не можем, то приходится делать хоть что-то, чтобы концентрация углекислого газа в атмосфере росла не так быстро. Поэтому разрабатываются технологии, превращающие углекислый газ во что-нибудь полезное, например, в сырьё для химического синтеза. Но что это значит с химической точки зрения?

В молекуле углекислого газа CO2 углерод прочно связан с двумя атомами кислорода. Чтобы от такого окисленного углерода была хоть какая-то химическая польза, от него нужно оторвать хотя бы один атом кислорода – превратить углекислый газ в газ угарный с формулой CO. Но для этого нужно затратить энергию, аналогичную той, которую мы бы получили, окислив угарный газ обратно до углекислого. Закон сохранения энергии, с которым всегда приходится считаться. Значит, для «чудесного» превращения углекислого газа в угарный нам нужен какой-то источник «чистой» энергии, которая не получена путём сжигания углеродного топлива. Предположим, что у нас он есть: какая-нибудь солнечная батарея или мощный ветрогенератор. Пусть даже мы с помощью «зелёного» электролиза получили из воды водород – газ, которым будем «химически» отрывать от углекислого газа один атом кислорода. Но и это ещё не всё.

Если взять углекислый газ, взять водород, смешать, погреть, потрясти и т.д., то мы, конечно, получим какое-то количество желанного нами угарного газа. Но, во-первых, его будет намного меньше, чем нам бы хотелось, а, во-вторых, это будет угарный газ вместе с исходными веществами и побочными продуктами реакции. Разделить полученную смесь можно, но на всё это потребуется затратить энергию, а её у нас и так дефицит. Чтобы выйти из этого затруднительного положения химики придумали метод, получивший название: обратная реакция конверсии водяного пара с химическим циклом (RWGS-CL).

Её суть состоит в том, чтобы разделить процесс отрыва атома кислорода от углекислого газа и его последующего «присоединения» к водороду на две отдельные стадии. Для этого необходимо использовать третье вещество, в роли которого обычно выступают оксиды металлов. В недавно опубликованной статье в журнале Chemical Science группа исследователей из университета Васэда и корпорации ENEOS предложила использовать для этой цели оксид индия, модифицированный медью. Как всё это работает?

На первой стадии углекислый газ вступает в реакцию с оксидом индия, который «отрывает» от CO2 один кислород и присваивает его себе. На выходе получается чистый угарный газ, без лишних примесей. Когда оксид индия насыщается кислородом, его регенерируют газообразным водородом, «вытаскивающим» лишний кислород из оксида, в результате чего получается обычная вода, а оксид индия возвращается в «боевое» состояние. Дальше цикл можно повторять. По утверждению авторов работы, главным достоинством такой системы с оксидом индия и медью служит её способность работать при более низких температурах, чем у известных аналогов.

Спасёт ли нас один лишь оксид индия на пару с медью от глобального потепления? По крайней мере, не в обозримом будущем. Даже если весь добываемый на планете металл индий (а это порядка одной тысячи тонн) пустить на борьбу с углекислым газом, то его вклад в понижение количества CO2 в атмосфере будет по приблизительным прикидкам на уровне одной тысячной от ежегодного объёма антропогенных выбросов CO2.

Однако не стоит называть подобные разработки бесполезными. Даже если отбросить такие экзотические, но всё же более-менее реальные задачи, как обеспечение жизнедеятельности колоний на Марсе или Луне, подобные технологии определяют направление возможных поисков решения и земных проблем тоже.