Углекислый газ нашел себе пару

Конверсия углекислого газа (серая сфера с двумя красными атомами) на медном нанокластере в метан (СН4). Иллюстрация Physorg

Прошлый, 2023 год был самым жарким за все время метеорологических наблюдений. И сегодня трудно поверить, что когда-то подданные королевы Виктории катались на коньках по льду Темзы. Считается, что глобальное потепление вызвано накоплением в атмосфере тепличных газов (GG – Greenhouse Gases). Основной из этих GG – оксид углерода, СО. Он не пропускает отраженные от земной и океанической поверхности солнечные лучи, что и приводит к перегреву.

Решение проблемы видится в резком квотировании атмосферных выбросов. И это, кстати, отчасти доказывается тем же 2023 годом, когда глобальная промышленность проснулась после пандемии.

Но вдруг многие заговорили о том, что люди потребляют слишком много мяса, отъедаясь за тысячелетия полуголодного прозябания. Отчасти в это можно поверить, если учесть параллельную статистику роста числа страдающих излишним весом. В конце концов мышей ведь сажают на HFD (High Fat Diet), и те тоже набирают вес – в два-три раза больше нормы.

Но почему исследователи бьют тревогу по поводу излишнего потребления мяса, особенно говядины? Дело в том, что растительноядные животные потребляют много клетчатки, которая перерабатывается микробами в их сложном желудке, генерируя газ метан (СН4). Такого метана животного происхождения накапливается в атмосфере ничуть не меньше, чем от промышленных выбросов. Молекула метана легче углекислого газа (СО2), но она объемнее молекулы углекислого газа. К тому же последний худо-бедно поглощается растениями и водорослями поверхностного слоя океанов, а метан – нет.

С другой стороны, СН4 – прекрасный энергоноситель, миллионы авто в мире «ходят» на газе. Но производство метана ведет к большим выбросам СО2, да и попробуйте уловить газ, производимый коровами на пастбищах.

Споры эти бесконечны, хотя химики делают попытки решить проблему, с одной стороны, утилизации СО2, а с другой – получения дешевого и относительно безопасного газа. Из последних исследований такого рода можно упомянуть работу ученых Монреальского университета, которые нашли дешевый и легко получаемый катализатор, переводящий СО2 в СН4. Речь идет о получении нанокластеров из небольшого числа атомов меди. На их поверхности за счет малого размера вполне осуществим квантовый процесс преобразования неорганической молекулы в органическую.

Мы живем в квантовом мире, который ассоциируется с температурами, близкими к абсолютному нулю (– 273 градуса Цельсия, или 0 градусов Кельвина). Достаточно вспомнить, что такое квантовое явление, как сверхтекучесть гелия, возникает при температуре 2,7 К. Вместе с тем лазер работает при комнатной температуре, а растения пустынь осуществляют фотосинтез, начинающийся с расщепления молекулы воды за счет энергии солнечного фотона, в самую настоящую жару.

Преимущество использования медных нанокластеров – в их способности перенаправлять (redirect) процесс восстановления СО2 с этиленового «пути» на метановый. Медь, как известно, лучший после золота и серебра проводник электронов. А процесс восстановления представляет собой донирование (передачу) электронов окисленному продукту. Можно напомнить о процессе окисления железа в геме гемоглобина, когда оно присоединяет кислород в легких, отдавая ему один электрон. Когда же в тканях и органах кислород «уходит», железо присоединяет накопившийся СО2, получая при этом электрон обратно. Так происходит примерно 16 раз в минуту, то есть с частотой нашего дыхания.

Канадцы тщательно подбирали количество меди в кластерах, проводя эксперименты в диапазоне от 19 до 1000 ее атомов. Дело в том, что размер кластеров и число атомов металла в них определяют протекание реакции и ее механизм. В полном соответствии с законами квантовой физики наиболее элективными оказались самые маленькие «гроздочки»-кластеры. Максимальная эффективность процесса получения метана достигала 85% при плотности тока 1,5 ампера на квадратный сантиметр.

Преимущество нового метода заключается в его стабильности на протяжении как минимум 10 часов при естественном контроле размера нанокластеров меди. Метод преодолевает основной «запрет» на электролитическое получение метана СН4, так как он не дает токсичного для катализаторов этилена.

Когда-то для людей было важно «уловление душ», сегодня же их волнует возможное потепление и связанные с ним суховеи, жара и катаклизмы, вызванные засухами. Немаловажно и сохранение для потомков ископаемых энергоносителей. Но ученый мир уже давно осознал, что последние у нас буквально под носом: мы начинаем с трудом дышать воздухом, в котором много СО2.

Канадцы продолжают работу по уточнению квантового механизма газовой конверсии, чтобы сделать процесс дешевле, более управляемым и расширить сферу его применения до промышленных масштабов.