Дышим — и получаем пластик: как углекислый газ стал главным ингредиентом будущего

Химики из Германии и Китая представили инновационную каталитическую систему, которая может изменить подход к производству пластмасс и полимеров. Разработка основана на использовании атмосферного углекислого газа (CO₂) вместо угарного газа (CO) — традиционного и экологически небезопасного реагента. Это открытие обещает не только удешевить производство, но и сделать химию более "зеленой".

Сравнение: традиционный и новый подход к карбонилированию

Советы шаг за шагом

1. Исходный материал. Используется атмосферный CO₂, который обычно рассматривается как отход.

2. Каталитическая система. Комбинация палладия, иридия и цинка, дополненная органическими веществами, активирует CO₂, разрывая его устойчивые связи.

3. Реакция превращения. Углекислый газ превращается в метиловый эфир муравьиной кислоты.

4. Соединение с углеводородами. Полученные молекулы вступают в реакцию с непредельными углеводородами (например, этиленом), образуя ценные эфиры и кислоты.

5. Использование продуктов. Эти соединения служат сырьем для производства полиэтилена высокой плотности, полиамидов, капрона и других полимеров.

"Созданная нами каталитическая система является наглядным примером того, как мы можем внести большой вклад в декарбонизацию химической промышленности", — отметил научный сотрудник LIKAT Ральф Якстелль.

Ошибка → Последствие → Альтернатива

• Ошибка: использовать угарный газ как основной источник углерода.
  Последствие: большие энергозатраты и выбросы парниковых газов.
  Альтернатива: применять атмосферный CO₂, превращая отход в сырьё.

• Ошибка: полагаться на высокотемпературный синтез-газ.
  Последствие: расход энергии на разогрев воды и метана.
  Альтернатива: использовать каталитические реакции при умеренных температурах.

• Ошибка: не учитывать побочные продукты.
  Последствие: загрязнение и снижение чистоты соединений.
  Альтернатива: новый катализатор обеспечивает выборочное связывание CO₂ без отходов.

А что если…

А что если технология получит промышленное применение? Это может стать прорывом в производстве пластиков: стоимость сырья снизится, а углеродный след фабрик уменьшится.

А что если катализатор доработают для других реакций? Тогда CO₂ сможет заменить CO и в других химических процессах — например, в фармацевтике и производстве растворителей.

А если применять метод прямо на заводах? Использование выбросов CO₂ с производственных труб в качестве сырья закроет цикл выбросов, создавая полностью безотходное производство.

Плюсы и минусы новой технологии

FAQ

Что такое реакция карбонилирования?
Это процесс присоединения молекул угарного газа (CO) к непредельным углеводородам для получения эфиров и кислот — основного сырья для пластмасс.

Почему CO₂ раньше не использовался?
Потому что молекула углекислого газа очень стабильна, и разорвать её связи было сложно без огромных энергозатрат.

Как работает новый катализатор?
Он "активирует" CO₂, превращая его в промежуточные соединения, которые легко вступают в реакцию с углеводородами.

Какие материалы используются в катализаторе?
Палладий, иридий, цинк и органические лиганды — именно их комбинация делает реакцию возможной.

Где технология может применяться?
В производстве полиэтилена, полиамидов, растворителей и других полимерных материалов.

Мифы и правда

• Миф: углекислый газ нельзя использовать в химии.
  Правда: при правильных катализаторах CO₂ становится ценным источником углерода.

• Миф: экологичные технологии всегда дорогие.
  Правда: переработка CO₂ снижает затраты на сырьё и энергию.

• Миф: такие катализаторы недолговечны.
  Правда: лабораторные испытания показали их стабильность на протяжении нескольких циклов.

• Миф: переработка CO₂ - это только для энергетики.
  Правда: новая химическая платформа применима в производстве пластика и полимеров.

Исторический контекст

Традиционные технологии получения синтез-газа сформировались ещё в начале XX века и долгое время считались безальтернативными. Однако к середине XXI века учёные начали искать способы использовать CO₂ - главный парниковый газ — как источник сырья.

Первый шаг в этом направлении сделали японские химики в 1990-х, но их катализаторы были нестабильны. Разработка немецкого Института катализа LIKAT и китайских исследователей стала прорывом: она позволила сделать процесс экономичным и безопасным.

Три интересных факта

1. Один килограмм CO₂, превращённый в пластик, эквивалентен предотвращению выбросов от сгорания 400 мл бензина.

2. Иридий и палладий используются также в автомобильных нейтрализаторах — там они тоже снижают вредные выбросы.

3. Новый катализатор способен работать при температуре ниже 100 °C, что делает его рекордно энергоэффективным для подобных реакций.