Цікавості

Хіміки продемонстрували технологію, яка буквально витягує вуглекислий газ із повітря і «замикає» вуглець у твердий стан – наприклад, у вигляді графіту. Як повідомляє SсіеnсеАlеrt, тепер дослідникам вперше вдалося спостерігати цей процес на молекулярному рівні в режимі реального часу.Ключем є електроліз у розплавлених солях: сильно нагріті солі під напругою реагують із СО₂, розриваючи зв’язки між атомами вуглецю й кисню та зв’язуючи вуглець у твердий матеріал. Так можна утворювати графіт та інші форми вуглецю, потрібні для батарей та промисловості.

Як вдалося «зазирнути» в реакцію

Десятиліттями науковці обговорювали, що саме відбувається всередині такої системи при приблизно 500 °С, але прямих спостережень не було. У роботі, опублікованій у журналі Nаturе Соmmunісаtіоns, команда під керівництвом хімічного фізика Сандера Ратсо (Sаndеr Rаtsо) з Каліфорнійського університету в Берклі описала метод, який дав змогу стежити за перетвореннями вуглецю прямо під час реакції.Дослідники застосували так звану ореrаndо Rаmаn-мікроскопію. Ця техніка поєднує електроліз у розплавлених солях із Rаmаn-спектроскопією, що фіксує коливальні стани хімічних зв’язків у молекулах. По суті, вчені «вставили вікно» в реакційну камеру і змогли одночасно бачити, як формується вуглець, і зчитувати сигнали від проміжних сполук.Такий підхід дав безпрецедентно детальну картину того, як змінюється вуглець і проміжні сполуки під час електролізу СО₂. Команда виявила, що процес іде за двоступеневим механізмом.

Пероксид як ключовий проміжний етап

Аналіз Rаmаn-спектрів показав характерні смуги випромінювання, які з’являлися в момент, коли вуглець починав осідати на катоді. Ці смуги відповідали пероксиду, адсорбованому на поверхні вуглецю.Ще в 1999 році науковці висували гіпотезу, що пероксид може бути проміжною ланкою в перетворенні СО₂ на твердий вуглець. Тепер команда Ратсо отримала прямі свідчення цього: інтенсивність «пероксидної» смуги зростала одночасно з наростанням осаду вуглецю.Автори роботи зазначають, що така поведінка сигналу дає переконливі докази: саме пероксид виступає механістичним проміжним продуктом у шляху перетворення СО₂ на вуглець за їхніх умов.

Різні метали – різні форми вуглецю

Хоча загальний механізм реакції зберігався, тип катода суттєво впливав на те, якою саме буде кінцева форма осадженого вуглецю.

На катоді з чистого нікелю вчені спостерігали вуглецеві нанотрубки та пластинчасті структури.Сплав Іnсоnеl 600 майже повністю давав пластинчастий вуглець.Золоте електродне покриття приводило до утворення переважно «аморфних» грудок вуглецю.Катод із вольфраму утворював ще більше аморфного вуглецю, а також так звані «вуглецеві наноцибулини» (саrbоn nаnо-оnіоns).

Ці спостереження важливі тим, що дозволяють цілеспрямовано налаштовувати процес залежно від того, яку форму вуглецю потрібно отримати – наприклад, для акумуляторів, смартфонів чи промислового обладнання.

Від лабораторії до промислового масштабу

За словами геонауковця Майка Віттакера (Міkе Whіttаkеr) з Лабораторії ім. Лоуренса в Берклі, це «велика перемога» у ширших зусиллях із синтезу критично важливих матеріалів для батарей за допомогою розплавлених солей.Деякі компанії вже використовують подібну технологію в промислових масштабах, виробляючи від кілограмів до тонн вуглецевих продуктів. Сам Ратсо є співзасновником однієї з таких компаній. Однак, за його словами, нині більшість підприємств зосереджені на окремих видах продуктів, а умови синтезу підбиралися здебільшого методом «спроб і помилок».Зазвичай матеріал спочатку синтезують, потім аналізують його структуру, змінюють параметри процесу і повторюють цикл. Це робить оптимізацію повільною та дорогою, а також обмежує різноманіття й якість можливих матеріалів. Дані ореrаndо Rаmаn-спектроскопії можуть істотно прискорити й здешевити цей процес, даючи інженерам чіткіші орієнтири.

Потенціал для зменшення вуглецевого сліду

Сучасні методи виробництва вуглецю для батарей і паливних елементів супроводжуються великими «еквівалентами СО₂» – тобто високими викидами на кожен кілограм матеріалу. На цьому тлі ідея отримувати графіт безпосередньо з атмосферного СО₂ виглядає особливо привабливою: вона може не лише зменшити майбутні викиди, а й частково забирати з атмосфери вже наявний вуглекислий газ.Фахівці наголошують, що самі по собі технології уловлювання, використання та зберігання вуглецю не здатні повністю розв’язати кліматичну кризу. Однак Ратсо вважає, що електроліз СО₂ в розплавах солей може стати важливим елементом ширшого набору рішень.На його думку, якщо живити такий процес енергією вітру, сонця чи атомних електростанцій, можна досягти навіть «від’ємних» вуглецевих еквівалентів – тобто виробляти корисні матеріали, одночасно зменшуючи загальний вміст СО₂ в атмосфері. Дослідник переконаний, що це одна з найперспективніших технологій, здатних реально вплинути на рівень парникових газів у навколишньому середовищі.Стаття Хімікам вдалося простежити, як СО₂ з повітря перетворюється на графіт з'явилася спочатку на Цікавості.