Синтез-газ из углекислого газа и воды представляет большой интерес.
Что такое газ из воды и его применение
Синтез газ представляет собой смесь монооксида углерода СО и водорода H2 в пропорциях от 1 к 1 до 1 к 3. Пока, в основном, изготавливается из природного газа, нефти и угля.
Прежде всего это вещество горит с выделением большого количества тепла. Кроме того необходимо как сырье для производства многих химических продуктов.
Исследователи продолжают работать над использованием низкоуглеродных газов, таких как метан и водород в качестве топлива, а также применение углекислого газа. Кроме того множатся гибридные и полностью электрические автомобили. Но для дальних грузовиков и других транспортных средств большой грузоподъемности, а также авиации, нет хорошей альтернативы, чем жидкое топливо и как основной источник топлива синтез или водяной газ пока не используется.
Хотя известны три способа получения синтез-газа: газификация каменного угля, конверсия метана- реакция взаимодействия метана с водяным паром, окисление углеводородов при температурах выше 1300°С.
Однако рассматривается получение этого газа из воды и углекислого газа.
Разложение воды и углерода
Ученые утверждают, что нашли способ, чтобы получить возобновляемую энергию из легко доступных соединений, таких как вода и диоксид углерода (углекислый газ CO2).
Этот завод в Исландии превращает двуокись углерода в синтез-газ и в конечном итоге в метанол топливо
Задачи по существу сводится к впрыскиванию энергии от солнца или других возобновляемых источников для разрыва химических связей воды и углекислого газа. Это является очень сложной проблемой, но решаемой.
Проблема в том, что CO2 это очень стабильная, инертная молекула. Химики могут заставить разложиться этой молекуле путем выделения электричества или тепла. Первым шагом в этом процессе обычно отделить один атом кислорода сделать из CO2 CO. Молекулы CO затем могут быть объединены с H2 чтобы сделать комбинации известного синтез-газа, который может быть преобразован в метанол. Метанол как простейший одноатомный спирт может быть использован непосредственно или преобразован в другие ценные химические вещества и топливо. Огромные химические заводы делают именно это, но они делают сингаз не из воздуха, а с природного газа.
Таким образом, задача для химиков является синтез-газ из углекислого газа и воды:
Синтез-газ — смесь монооксида углерода СО и водорода H2
Установка по образованию монооксида углерода и водорода
Сейчас ученые создали установку которая фокусирует широкую полосу солнечного света на полупроводниковые панели, которые преобразуют 38% поступающей энергии в электричество с высоким напряжением. Электричество подается на шунтирующие электроды для двух электрохимических элементов: один, который расщепляет молекулы воды, а другой расщепляет CO2. Тем временем значительная часть оставшейся энергии в солнечном свете используется как тепло для разогрева на сотни градусов, шаг, который снижает количество электричества, необходимого для разделения воды и CO2.
Таким образом 50% поступающей солнечной энергии может быть преобразовано в химические связи. Неясно, является ли этот процесс по образованию монооксида углерода и водорода синтез-газа (сингаза) дешевым, как из природного газа.
Ученые отмечают, что экономический анализ установки расщепления впервые описанной в 2002 году, можно генерировать килограмм H2— энергетический эквивалент 4 литра бензина — стоимостью $ 2,61.
Учитывая эти трудности по-прежнему пытаются разделить CO2 при более низких температурах. Один такой подход уже коммерчески применяется.
В Исландии международная компания проводит рециркуляцию углерода с 2012 года, используя образование синтез газа из углекислого газа и воды. Компания использует на островах изобилие геотермальной энергии для производства электроэнергии, который управляет электролизом машин, которые разделяют CO2 и воду. В результате сингаз затем превращается в метанол.
Синтез-газ можно создать из воды и углекислого газа CO2.
Энергия катализатора
Конечно в большинстве регионов мира как в Исландии нет обильной геотермальной энергии, необходимой для управления процессом, чтобы возобновляемая энергия получилась, поэтому используется энергия катализатора. Энергия катализатора может разделить CO2 на атом кислорода и СО. Эти катализаторы обычно находятся на катоде, один из двух электродов в электролитическая ячейке содержащей воду. На противоположном электроде молекулы воды делятся на электроны, протоны и кислород. Электроны и протоны двигаются к катоду, где CO2 молекулы делятся на CO и атомы кислорода.
Сегодня идеальным стандартом для таких катализаторов является золото. В 1980-х годов японские исследователи обнаружили, что электроды из золота проявляют высокую активность при расщеплении CO2 до CO во всех установках при низкой температуре. Тогда в 2012 году, в Стэнфордском университете в Пало-Альто, Калифорния обнаружено, что лучше делать электрод с тонким слоем золота, разделять наноразмерные кристаллиты в связи с чем увеличилась энергия катализатора в 10 раз. Однако применять золото по $36000 за килограмм по-прежнему слишком дорого для использования в массовых масштабах.
Исследователи в университете штата Делавэр (UD), Норуолк, сообщили что катализаторы из наночастиц серебра делать также можно. Также доказали, что можно даже дешевле использовать катализаторы из цинка, что также оказывается весьма эффективным для получения CO. Также ученые сообщают, что электроды, изготовленные из нанокристаллической меди позволяют непосредственно синтезировать множество более сложного жидкого топлива, как этанол и ацетат при беспрецедентной эффективности возобновляемой энергии.
Процесс электролиза с помощью света
Также исследователи во всем мире проводят низкотемпературный процесс электролиза CO2 и H2O с энергией непосредственно от солнечного света. Процесс электролиза использует поглощение света на основе полупроводников, например на основе диоксида титана – нанотрубок, чтобы выработать CO, метан или другие углеводороды. До настоящего времени такие установки не очень эффективны. Обычно они преобразуют менее 1% поступающей солнечной энергии в химические связи, лучше с помощью ультрафиолетового излучения солнца, которое составляет лишь крошечную часть спектра. Сейчас ученые химики сообщают, что упростили процесс электролиза, разработав на основе висмута фотокатализатор, который преобразует 6,1% энергии видимого светового спектра в химические связи CO.
Несмотря на прогресс на всех этих фронтах ученые предупреждает, что синтез газа из углекислого газа и воды пройдет еще долгий путь, чтобы конкурировать непосредственно с жидким ископаемым топливом, особенно сейчас, когда цены на нефть стабильны и относительно невелики.
Ученые утверждают, что широкое проникновение возобновляемой энергии в виде солнечной и ветровой произойдет. Дания, например, уже производит около 30% своего электричества от ветряных станций и находится на темпе, чтобы достичь 50% к 2020 году. Особенно в ветреный день в июле ветровые электростанции сформировали 140% потребностей страны в электричестве. Избыток был отправлен соседям в Германию, Норвегию и Швецию. Однако избыток энергии во времена пика производства возобновляемой энергии может привести стоимость электроэнергии к нулю, а рентабельность даже ниже с учетом низкого энергопотребления.
