Когда воздух становится сырьём: прорывная технология превращает углекислый газ в полимеры

Учёные из Института катализа Ассоциации Лейбница (LIKAT, Германия) совместно с китайскими химиками сделали важный шаг к декарбонизации химической промышленности.

Они создали новый катализатор на основе палладия, иридия, цинка и органических соединений, который позволяет использовать атмосферный углекислый газ (CO₂) вместо угарного газа (CO) для производства пластиков и полимеров.

По сути, исследователи нашли способ превратить выбросы парникового газа в ценное химическое сырьё, что может радикально изменить принципы производства синтетических материалов.

"Созданная нами каталитическая система — пример того, как точечные исследования способны внести вклад в декарбонизацию химической промышленности. Мы превращаем выбросы CO₂ в полезное сырьё", — пояснил научный сотрудник LIKAT Ральф Якстелль.

Как катализатор заменяет угарный газ

В производстве пластмасс широко используется реакция карбонилирования, когда к цепочкам непредельных углеводородов (например, этилену) присоединяются молекулы CO. Так получают промежуточные соединения — эфиры и кислоты, необходимые для синтеза полиэтилена, капрона, полиамидов и других полимеров.

Проблема в том, что угарный газ получают из синтез-газа - смеси водорода и CO, вырабатываемой при нагреве метана или угля. Эти процессы требуют много энергии и сопровождаются значительными выбросами парниковых газов.

CO₂ долгое время считался непригодным заменителем CO - из-за прочных связей в молекуле его сложно "включить" в реакцию. Но исследователи из LIKAT и китайских лабораторий нашли способ обойти это ограничение.

Суть метода:

• органические комплексы иридия, палладия и цинка позволяют активировать молекулу углекислого газа;
• CO₂ превращается в метиловый эфир муравьиной кислоты - промежуточное соединение;
• затем катализатор направляет его реакцию с углеводородами, образуя нужные эфиры и кислоты, полностью аналогичные тем, что получают при классическом карбонилировании с CO.

Таким образом, учёные сумели встроить CO₂ в углеродный цикл промышленности, превращая его из отхода в полезный ресурс.

Экологическая и технологическая значимость

Новая технология решает сразу две задачи:

1. Сокращает выбросы парниковых газов - CO₂ из атмосферы используется как сырьё.
2. Снижает энергозатраты - отпадает необходимость в производстве синтез-газа и нагреве угля или метана.

"Мы показали, что углекислый газ можно использовать как строительный блок для химических продуктов — это фундаментальный шаг к "зелёной химии”", — отметил Якстелль.

По расчётам авторов, массовое внедрение метода позволит уменьшить углеродный след химической промышленности и снизить себестоимость производства пластмасс и растворителей.

А что если заменить весь CO₂ на атмосферный? Пока реакция требует частично очищенного газа, но исследователи уверены, что со временем смогут использовать прямой углекислый газ из воздуха или промышленных выбросов.

Перспективы промышленного применения

На данный момент технология протестирована в лабораторных условиях. Учёные успешно синтезировали несколько ключевых соединений, применяемых при производстве полимеров. Следующий этап — масштабирование процесса и адаптация катализатора к непрерывным производственным линиям.

Преимущества новой системы:

• высокая селективность (реакции протекают строго по нужному направлению);
• стабильность катализатора при многократном использовании;
• низкая температура реакции по сравнению с синтез-газом.

"Если система будет масштабирована, можно ожидать революцию в производстве пластиков: углекислый газ станет дешёвым источником углерода для промышленности", — подытожили в LIKAT.

А что если технология станет массовой? Это позволит не только снизить выбросы CO₂, но и сократить зависимость от угля и газа при производстве химического сырья.

Сравнение с классическими методами показывает, что потенциальная экономия энергии может достигать 25-30 %, а выбросы CO₂ - снизиться почти вдвое.

Международное сотрудничество и публикация

Работа выполнена совместно немецкими и китайскими учёными. В проекте участвовали специалисты из LIKAT и ведущих университетов Китая, специализирующихся на органическом синтезе.