Когда учёные или политики говорят о борьбе с изменением климата, в первую очередь идёт речь о главном виновнике «парникового эффекта» — углекислом газе.
Сжигание ископаемого топлива на электростанциях и в двигателях автомобилей освобождает углекислоту, которая накапливается в атмосфере и становится причиной глобального потепления. Высшие растения, водоросли, многие протисты и цианобактерии способны поглощать углекислый газ из атмосферы, превращая его в сахара и крахмал.
В ходе исследования, проведённого Аргоннской национальной лабораторией (Argonne National Laboratory), старейшим национальным исследовательским центром Министерства энергетики США, и Иллинойсским университетом в Чикаго (University of Illinois at Chicago), был создан прототип устройства, которое может аналогичным образом преобразовывать углекислый газ в топливо с помощью энергии солнечных лучей.
Одна из главных проблем секвестрации углекислого газа заключается в том, что он относительно химически инертен. «Довольно сложно превратить углекислый газ во что-то другое», — отмечает химик Ларри Кертисс (Larry Curtiss), автор исследования.
Чтобы сделать из углекислого газа то, что может стать топливом, Кертисс и его коллеги приступили к поиску катализатора — соединения, которое может увеличить химическую активность двуокиси углерода. Для преобразования углекислого газа из атмосферы в сахара растения используют органические катализаторы — ферменты; исследователи использовали диселенид вольфрама в форме наноразмерных чешуек, что максимизирует площадь поверхности и увеличивает его химическую активность.
Растения используют свои катализаторы для производства сахара, исследователи из Аргоннской национальной лаборатории пока добились лишь преобразования диоксида углерода в монооксид углерода. Окись углерода (угарный газ) — яд, он тоже является парниковым газом, но уже гораздо более реакционноспособен, чем двуокись углерода. Есть способы преобразования окиси углерода в соединения, которые могут служить топливом, например, в метанол.
Экономика метанола — гипотетическая энергетическая экономика будущего, при которой ископаемое топливо будет заменено метанолом. Эта экономика является альтернативой существующим моделям водорода и этанола («биотопливо»). В 2005 году лауреат нобелевской премии Джордж Ола (George Andrew Olah) опубликовал свою книгу «Beyond Oil and Gas: The Methanol Economy», в которой обсудил шансы и возможности экономики метанола. В книге он представляет аргументы против водородной модели и обозначает возможность синтеза метанола из углекислого газа (CO2) или метана.
Хотя разработанная американскими исследователями реакция для превращения углекислого газа в окись углерода отличается от того, что встречается в природе, она требует тех же основных условий, что и фотосинтез. «Деревья нуждаются в энергии света, воде и углекислом газе, чтобы производить своё топливо; в нашем эксперименте ингредиенты те же, но продукт другой», — говорит Кертисс.
Исследовательской группе удалось создать «искусственный лист», в котором может происходить весь путь реакции от CO2 до CO.
Питер Запол (Peter Zapol), ещё один автор работы, отмечает:
«Мы сжигаем очень много различных видов углеводородов — уголь, нефть или бензин — разработка экономичного способа сделать химическое топливо «многоразовым» с помощью солнечного света может оказать большое влияние на ситуацию».
Исследование показало, что продемонстрированная реакция происходит с минимальными потерями энергии. Катализатор, диселенид вольфрама, тоже оказался сравнительно долговечным, он работает более чем 100 часов — высокий результат для подобного рода катализаторов.
Материалы исследования опубликованы в журнале Science.