Учёные создали топливо из углекислого газа при помощи нетепловой плазмы
Международная команда исследователей создала одноступенчатый процесс конверсии углекислого газа в топливо при помощи нетепловой плазмы. Новый метод сократит затраты на производство и выбросы углекислого газа в окружающую среду.
Несмотря на исследования в области зелёной экономики и поиск альтернативных источников энергии, потребность человека в углеводородном топливе не снижается. В процессе сжигания и переработки углеводородного топлива в окружающую среду выделяется большое количество углекислого газа (CO₂), избыток которого оказывает сильное воздействие на глобальный климат.
Для использования избыточного CO₂ ещё в начале XX века исследователи разработали способ переработки газа обратно в топливо. Конверсия достигается путём его гидратации методом Фишера-Тропша, для чего необходимы дорогие катализаторы. Процесс переработки проходит в несколько этапов и требует высокой температуры (200—400 ºC) и давления (10—40 ст.атм). Это очень энергозатратно, поэтому исследователи ищут альтернативные способы конверсии и подбирают разные катализаторы.
Команда учёных из Китая и США придумала использовать нетепловую плазму вместе с катализатором оксидом алюминия в методе Фишера-Тропша для сокращения времени на конверсию газа.
Нетепловая плазма представляет из себя газ комнатной температуры с заряженными частицами. Они активируют молекулы углекислого газа и водорода в закрытом реакторе, не требуя при этом повышенных температур и концентрирующего газ давления. Благодаря этому плазма преобразует углекислый газ (CO₂) в монооксид углерода (СО). Взаимодействие СО и водорода (H₂) образует воду (H₂O), метан (CH₄) и углеводороды С2+.
Данный метод позволил исследователям получить углеводороды при комнатной температуре (24 ºC) и обычном давлении (1 ст.атм). Таким образом, плазма удешевляет и упрощает синтез CO₂.
Исследователи планируют внедрить технологию в широкое производство и замкнуть производственную цепь, перерабатывая весь выделяемый углекислый газ. По словам учёных, замкнутая цепь не только снизит количество выбросов CO₂ в атмосферу, но и решит проблему с дефицитом топлива.
Источник
Жидкое углеводородное топливо из CO2 и воды
Уже некоторое время ученые ищут способы удалить избыток углекислого газа из атмосферы, и ряд последних экспериментов был сосредоточен на использовании этого газа для создания пригодного топлива.
Результатом таких экспериментов стали водород и метанол, но процессы их получения часто включают различные, не всегда эффективные, методы и целый ряд сложных шагов. Теперь исследователи продемонстрировали одностадийную конверсию диоксида углерода и воды, в непосредственно простое и недорогое жидкое углеводородное топливо с использованием комбинации света высокой интенсивности, направленного нагрева и высокого давления.
По данным исследователей из Университета штата Техас в Арлингтоне (UTA), этот прорыв технологии устойчивых видов топлива использует углекислый газ из атмосферы, с дополнительным преимуществом также производить кислород в качестве побочного продукта, который должен оказать четкий положительный результат воздействия на окружающую среду.
«Мы первые использовали свет и тепло для синтеза жидких углеводородов из углекислого газа и воды в одностадийном реакторе», сказал Брайан Деннис (Brian Dennis), профессор механической и аэрокосмической техники Университета и один из ведущих исследователей проекта.
«Концентрированный свет приводит в действие фотохимическую реакцию, которая генерирует высокоэнергетические промежуточные продукты и тепло для совершения термохимических реакций формирования углеродной цепи, это приводит к получению углеводорода в одностадийном процессе».
Известный как солнечное фототермохимическое алифатическое обратное внутрипластовое горение, одношаговый процесс преобразования превращает углекислый газ и воду в кислород и жидкие углеводороды с использованием фототермохимического проточного реактора, работающего при температуре от 180 ° C до 200 ° C и при давлении до шести атмосфер.
«Наш процесс также имеет важное преимущество перед электромобилями или автомобилями, работающих на газообразном водородном топливе, поскольку углеводородные продукты нашей реакции являются именно тем, что мы используем в существующих автомобилях, грузовиках и самолетах, так что для их применения не было бы никакой необходимости изменять текущую распределительную систему», сказал Фредерик Макдонелл (Frederick MacDonnell), профессор кафедры химии и биохимии Университета и один из ведущих исследователей проекта.
Источник
Ученые научились генерировать чистое топливо из света, воды и углекислого газа
Новая технология создания «искусственных листьев» способна в корне перевернуть всю осовремененную энергетику. Ведь с помощью них (листьев) можно получать экологически чистое топливо буквально из воздуха.
Так вот научная группа из Кембриджа уже давно и успешно работает над этой задачей. Их последняя разработка – полностью автономная пластина с фотокатализаторами, которая преобразует свет, воду и углерод в чистое топливо.
Еще в прошлом году ученым удалось получить «искусственный лист», который успешно трансформировал свет и воду в топливо – синтетический газ, который состоял из моноксида углерода и водорода. При этом применялись перовскидные фотоэлементы.
Уже в этом году та же научная группа заменила перовскидные элементы на новые фотокатализаторы, которые поместили в пластинку из полупроводящего порошка.
При этом получилась пластина общей площадью в 20 квадратных сантиметров, которая стала трансформировать солнечный свет и двуокись углерода с водой в кислород и муравьиную кислоту, которая уже сразу пригодна в качестве жидкого топлива или ее можно запасать для дальнейшего получения из нее водорода.
Как заявили ученые, этот метод трансформации углерода в чистое топливо уже сейчас готов к полноценному масштабированию и коммерческому использованию.
Ведь производить подобные пластины площадью в несколько квадратных метров достаточно просто. А используемые компоненты при производстве распространены и дешевы.
Так что реализовать полноценные станции для трансформации энергии света, воды и углерода в чистое топливо уже сейчас можно при необходимом финансировании. Но ученые не остановились на этом.
Сейчас научная группа работает над повышением эффективности установки и дальнейшей модернизации. Планируется испытать новые катализаторы для получения других типов чистого топлива.
Так что возможно в скором времени мы увидим новые «листья», которые будут способны производить другие виды чистого топлива.
Если вам понравился материал, тогда ставим палец вверх и не забываем подписаться. Спасибо, что прочитали до конца!
Источник
Углекислый газ и вода могут быть превращены в топливо с помощью света
МОСКВА, 24 дек — РИА Новости. Ученые продемонстрировали реактор, позволяющий превратить смесь углекислого газа и воды в угарный газ (СО) и водород, что может быть использовано для экологически чистого и эффективного метода получения углеводородного топлива. Об этом сообщается в статье исследователей, опубликованной в журнале Science в пятницу.
Химический процесс, установленный учеными, имитирует превращение органических соединений в компоненты нефти, который в действительности происходит в течение тысячелетий глубоко под землей. Он заключается в постепенной утрате кислорода органическими молекулами, главным образом углеводами, с образованием углеводородов.
Группа исследователей во главе с Альдо Штейнфилдом (Aldo Steinfeld) из Интитута имени Пауля Шеррера в Швейцарии продемонстрировала возможность запустить этот процесс искусственным образом в реакторе, ускорив его воздействием солнечного света и оксида церия CeO2.
В реакторе солнечный свет концентрируется с помощью линз и направляется в емкость, наполненную оксидом церия, что приводит к нагреву материала до высокой температуры (больше тысячи градусов Цельсия). В ходе нагрева оксид церия теряет часть кислорода из своей кристаллической решетки. Если после этого в реактор впустить смесь СО2 и воды, то оксид начинает компенсировать утраченный кислород, «отнимая» от молекул воды и углекислого газа.
На выходе из реактора образуется смесь угарного газа и водорода, которую можно использовать для дальнейшего химического синтеза углеводородов. Также можно отделить водород от СО и использовать его в качестве топлива в чистом виде.
«Термодинамические расчеты показывают, что эффективность такого метода получения углеводородного топлива может легко быть повышена с нынешних 0,8% до 16-19% за счет увеличения размеров реактора. Кроме того, природная распространенность церия и термическая стабильность его оксида CeO2 делают разработку крайне перспективной», — пишут авторы статьи.
Источник
Гликолиз и дыхание
В процессе фотосинтеза солнечная энергия запасается в химических связях углеводных молекул, из которых наиболее важную роль играет шестиуглеродный сахар глюкоза. После того как другие живые организмы используют эти молекулы в пищу, запасенная энергия выделяется и используется для метаболизма. Это происходит во время процессов гликолиза и дыхания. Весь химический процесс можно коротко описать так:
глюкоза + кислород → углекислый газ + вода + энергия
Чтобы лучше понять эти процессы, представьте себе, что организм «сжигает» углеводы, чтобы получить энергию.
Термин «гликолиз» образован при соединении слова лизис, означающего «расщепление», со словом глюкоза. Как следует из названия, процесс начинается с химического извлечения энергии посредством расщепления молекулы глюкозы на две части, каждая из которых содержит три атома углерода. В процессе гликолиза из каждой молекулы глюкозы получается две трехуглеродные молекулы пировиноградной кислоты. Кроме того, энергия глюкозы запасается в молекулах (см. Биологические молекулы), которые мы называем «энергетической валютой» клетки, — двух молекулах АТФ и двух молекулах НАДФ. Таким образом, уже на первой стадии гликолиза энергия высвобождается в такой форме, которая может быть использована клетками организма.
Дальнейший ход событий зависит от наличия или отсутствия кислорода в среде. При отсутствии кислорода пировиноградная кислота превращается в другие органические молекулы в ходе так называемых анаэробных процессов. Например, в клетках дрожжей пировиноградная кислота превращается в этанол. У животных, к которым относится и человек, при истощении запасов кислорода в мышцах пировиноградная кислота превращается в молочную кислоту — именно она вызывает так хорошо знакомое всем нам ощущение мышечной скованности после тяжелой физической нагрузки.
При наличии же кислорода энергия выделяется в процессе аэробного дыхания, когда пировиноградная кислота расщепляется на молекулы углекислого газа и воды с одновременным высвобождением оставшейся энергии, запасенной в углеводной молекуле. Дыхание происходит в специализированной клеточной органелле — митохондрии. Вначале отщепляется один углеродный атом пировиноградной кислоты. При этом образуется углекислый газ, энергия (она запасается в одной молекуле НАДФ) и двухуглеродная молекула — ацетильная группа. Затем реакционная цепь поступает в метаболический координационный центр клетки — цикл Кребса.
Цикл Кребса (его также называют циклом лимонной кислоты или циклом трикарбоновых кислот) является примером хорошо знакомого в биологии явления — химической реакции, которая начинается, когда определенная входящая молекула соединяется с другой молекулой, выполняющей функцию «помощника». Такая комбинация инициирует серию других химических реакций, в которых образуются молекулы-продукты и в конце воссоздается молекула-помощник, которая может начать весь процесс вновь. В цикле Кребса роль входящей молекулы играет ацетильная группа, образующаяся при расщеплении пировиноградной кислоты, а роль молекулы-помощника — четырехуглеродная молекула щавелевоуксусной кислоты. Во время первой химической реакции цикла эти две молекулы соединяются с образованием шестиуглеродных молекул лимонной кислоты (этой кислоте цикл обязан одним из своих названий). Далее происходят восемь химических реакций, в которых сначала образуются молекулы-переносчики энергии и углекислый газ, а затем новая молекула щавелевоуксусной кислоты. Для переработки энергии, запасенной в одной молекуле глюкозы, цикл Кребса нужно пройти дважды. Чистая прибыль оказывается равной двум молекулам АТФ, четырем молекулам углекислого газа и десяти другим молекулам-переносчикам энергии (о них немного позже). Углекислый газ, в конечном счете, диффундирует из митохондрии и выделяется при выдохе.
Цикл Кребса принципиально важен для жизни не только потому, что в нем образуется энергия. Помимо глюкозы в него могут вступать многие другие молекулы, также образующие пировиноградную кислоту. Например, когда вы соблюдаете диету, организму не хватает потребляемой вами глюкозы для поддержания метаболизма, поэтому в цикл Кребса, после предварительного расщепления, вступают липиды (жиры). Вот почему вы теряете вес. Кроме того, молекулы могут покидать цикл Кребса, чтобы принять участие в построении новых белков, углеводов и липидов. Таким образом, цикл Кребса может принимать энергию, сохраненную в разной форме во многих молекулах, и создавать на выходе разнообразные молекулы.
С энергетической точки зрения чистый результат цикла Кребса состоит в том, чтобы завершить извлечение энергии, запасенной в химических связях глюкозы, передать небольшую часть этой энергии молекулам АТФ и запасти остальную энергию в других молекулах-переносчиках энергии. (Говоря об энергии химических связей, не надо забывать, что для разделения соединенных атомов необходимо совершить работу.) На заключительном этапе дыхания эта оставшаяся энергия высвобождается из молекул-переносчиков и также запасается в АТФ. Молекулы, запасающие энергию, перемещаются внутри митохондрии, пока не столкнутся со специализированными белками, погруженными во внутренние мембраны митохондрии. Эти белки отнимают электроны у переносчиков энергии и начинают передавать их по цепи молекул — наподобие цепочки людей, передающих ведра с водой на пожаре, — извлекая энергию, запасенную в химических связях. Извлеченная на каждом этапе энергия запасается в форме АТФ. На последнем этапе электроны соединяются с атомами кислорода, которые далее объединяются с ионами водорода (протонами), образуя воду. В цепи переноса электронов образуется не менее 32 молекул АТФ — 90% энергии, хранившейся в исходной молекуле глюкозы.
Превращение энергии в цикле Кребса включает в себя довольно сложный процесс хемиосмотического сопряжения. Этот термин указывает на то, что в высвобождении энергии наряду с химическими реакциями участвует осмос — медленное просачивание растворов через органические перегородки. По сути дела, электроны с переносчиков энергии, являющихся продуктом цикла Кребса, переносятся по транспортной цепочке и поступают на белки, погруженные в мембрану, которая разделяет внутренний и внешний компартменты (отсеки) митохондрии. Энергия электронов используется для перемещения ионов водорода (протонов) во внешний компартмент, служащий «энергохранилищем» — наподобие водохранилища, образовавшегося перед плотиной. При оттоке протонов через мембрану энергия используется для образования АТФ, подобно тому как вода перед плотиной используется для производства электричества при падении на генератор. Наконец, во внутреннем компартменте митохондрии ионы водорода соединяются с молекулами кислорода с образованием воды — одного из конечных продуктов метаболизма.
Этот рассказ о гликолизе и дыхании иллюстрирует, насколько далеко зашли современные представления о живых системах. Простое высказывание о конкретном процессе — например, что для метаболизма необходимо «сжигать» углеводы — влечет за собой невероятно подробное описание сложных процессов, происходящих на молекулярном уровне и с участием огромного количества различных молекул. Осмысление современной молекулярной биологии в чем-то сродни чтению классического русского романа: вам легко понять каждое взаимодействие между персонажами, но, дойдя до страницы 1423, вы вполне можете забыть, кем приходится Петр Петрович Алексею Алексеевичу. Точно так же каждая химическая реакция в только что описанной цепи кажется понятной, но дочитав до конца вы будете поражены непостижимой сложностью процесса. В качестве утешения замечу, что я чувствую себя так же.
Источник
