Ученые сократили выбросы CO2 более чем на 99 % при переработке синтез-газа в жидкое топливо. Продуктивность реакции при этом выросла на порядок.
Синтез Фишера-Тропша (СФТ) — широко используемый в нефтехимической промышленности процесс преобразования смеси угарного газа (CO) и водорода (H2), в жидкие углеводороды. Эта смесь называется синтез-газом, сингазом, водяным или генераторным газом. В зависимости от источника соотношение окиси углерода к водороду варьируется от 1 к 1 до 1 к 3. Сингаз получают при переработке сырой нефти, утилизации органических отходов, сжигании угля и кокса в металлургии.
В исследовании, опубликованном в Science, группа ученых из Китая обнаружила, что добавление миллионных долей бромметана (CH3Br) в синтез-газ, проходящий через катализаторы на основе карбида железа, полностью меняет результат реакции, делая ее значительно более экологичной и продуктивной.
Добавление галогенсодержащего соединения снизило селективность по CO2 с прежних 18–35 % почти до нуля. В то же время селективность по олефинам (углеводородам, содержащим углерод-углеродную двойную связь) среди углеродсодержащих продуктов увеличилась до 85 %, а соотношение олефинов и парафинов составило 13:1, что в 10 раз лучше, чем соотношение 1,3:1 при использовании немодифицированного катализатора.
Мир разрабатывает более экологичные энергетические технологии, но на ископаемое топливо по-прежнему приходится более 80 % мирового энергопотребления. Для построения устойчивого будущего необходимо не только повысить эффективность возобновляемых источников, но и снизить воздействие ископаемого топлива на окружающую среду.
Исследователи сосредоточились на повышении эффективности и экологичности процесса СФТ, который является неотъемлемой частью нефтехимической промышленности.
Метод, изобретенный немцами Францем Фишером и Гансом Тропшем в 1920-х годах, сыграл ключевую роль в обеспечении немецкой армии жидким топливом во время Второй мировой войны. Как известно, Германия испытывала постоянные проблемы с поставками нефти, а до месторождений Закавказья немцам дойти так и не удалось.
Более двух третей установок СФТ по всему миру используют катализаторы на основе железа. Их суммарный выход составляет почти 15,7 млн тонн в год. Эти катализаторы предпочтительны из-за их низкой стоимости, распространенности железа в природе и высокой производительности. Однако железные катализаторы способствуют нежелательным реакциям, которые приводят к избыточному образованию CO2.
Ранее химики пытались снизить образование двуокиси углерода путем нанесения на железные катализаторы гидрофобных материалов или слоев графена, что приводило лишь к снижению селективности до уровня ниже 13%. Модификация катализаторов на основе карбида железа Fe5C2 позволила добиться селективности по CO2 около 10%, но при этом наблюдалась низкая конверсия CO и плохая производительность по олефинам.
Авторы исследования нашли очень простой, но эффективный способ повысить выход олефинов и сократить выбросы CO2. Они добавляли небольшое количество бромметана непосредственно в исходный синтез-газ во время каталитической реакции.
В результате на катализаторе образовались соединения брома. Они блокировали две нежелательные реакции — водородно-углеродный сдвиг и реакцию Будуара, в результате которых образуются побочные продукты — вода и CO2. Кроме того, модификация поверхности катализатора способствовала тому, что олефины покидали поверхность, а не подвергались дальнейшему гидрированию с образованием менее ценных продуктов.
Модифицированный катализатор также продемонстрировал удивительную долговременную стабильность, бесперебойно работая более 450 часов.
Недавно российские ученые научились связывать «лишний» углерод катализатором на основе меди.
