А у нас на небе газ: ученые придумали, как утилизировать CO2 из атмосферы

Летом 2020 года научное сообщество потрясла новость о том, что содержание углекислого газа в атмосфере стало рекордным за последние 23 миллиона лет и получило статус серьезной экологической проблемы. Ученые ТПУ вместе с чешскими исследователями нашли метод ее решения. Он заключается в новом способе утилизации углекислого газа, который поможет получать циклические карбонаты — широко востребованные органические соединения. Они применяются в качестве электролитов литий-ионных батарей, «зеленых» растворителей и компонентов лекарств.

На протяжении 23 миллионов лет в атмосфере Земли происходило линейное снижение концентрации углекислого газа. Но примерно два столетия назад ситуация в корне изменилась — содержание CO2 начало стремительно расти, достигнув к настоящему моменту рекордного количества. Сложившаяся ситуация представляет угрозу не только климату и экологии, но и когнитивным способностям людей. Если концентрация газа в атмосфере продолжит увеличиваться, то уже через несколько десятилетий человечество заметит снижение способности принимать решение и мыслить аналитически.

Эту проблему можно решать не только посредством снижения выбросов в атмосферу. Например, альтернативой является использование для полезных химических превращений уже накопившегося в атмосфере углекислого газа.

Ученые ТПУ впервые в современной науке предложили метод, который позволяет получать карбонаты под действием света. Им удалось получить вещества при взаимодействии углекислого газа и исходных веществ — эпоксидов.

- Сначала нам нужно было «поймать» углекислый газ. Для этого мы использовали наночастицы золота с привитыми органическими молекулами азотистого основания. Они играли роль «ловушек» для молекул углекислого газа. Суспензию из таких наночастиц и «захваченного» углекислого газа мы и смешивали с эпоксидами, — объясняет доцент Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий ТПУ Павел Постников.

Эту смесь исследователи облучали инфракрасным светом. Под его действием рядом возбужденные квазичастицы выступали спусковым крючком. Они трансформировали энергию света в энергию, необходимую для химической реакции.

- Сам по себе вопрос о механизмах плазмонной химии, как именно плазмоны запускают химические процессы, как это работает, — горячая научная тема. Этому направлению исследований посвящен ряд наших предыдущих статей. Контрольные эксперименты позволили нам предположить, что возбуждение плазмона на частицах ведет к передаче энергии на захваченную молекулу CO2 без участия нагрева, — рассказывает научный сотрудник Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий ТПУ Ольга Гусельникова.

По скорости процесс синтеза сопоставим с аналогичными методами. Он занимает около суток, обычно же показатели варьируются в районе 12-24 часов. При этом такой способ выгоднее экономически, поскольку не требует сложного специального оборудования, в отличие от других подобных реакций.

- Сейчас мы начали с маленьких объемов и получили несколько миллилитров циклических карбонатов. Однако в статье мы уже продемонстрировали, что метод может быть масштабирован как минимум в пять раз, и сами наночастицы могут быть использованы повторно без потери активности. В то же время каталитические показатели нашей плазмонной системы одни из самых высоких из известных для данной реакции. Но самое важное — это как раз демонстрация возможности, что реакцию можно проводить прямо с использованием воздуха без дополнительной очистки или концентрирования СО2 при нормальных условиях под действием света. А это всегда в конечном итоге делает синтез более простым и экологичным, — добавляет Павел Постников.

Исследование проводилось совместно с учеными из Университета химии и технологии Праги и Университета Яна Пуркине при поддержке Российского научного фонда. Его результаты опубликованы в журнале «Journal of Materials Chemistry A», рассказывающем о синтезе, свойствах и применении новых материалов, связанных с энергией и устойчивостью.