Химик Александр Кустов о сокращении выбросов CO2
АЛЕКСАНДР КУСТОВ кандидат химических наук, доцент кафедры общей химии МГУ имени М. В. Ломоносова, сотрудник лаборатории экологической химии, научный сотрудник Института органической химии имени Н. Д. Зелинского РАН («Лаборатория разработки и исследования полифункциональных катализаторов») и НИТУ МИСиС («Лаборатория нанохимии и экологии»)
В наши дни существует несколько основных подходов к борьбе с выбросами углекислого газа. Один из них — превращение СО2 в ценные продукты, такие как метанол и углеводороды. Как правило, для этого используются катализаторы на основе дорогостоящих драгоценных металлов, однако Александр Кустов и его научная группа предлагают более экономичный подход. Исследователи вот уже три года успешно разрабатывают каталитические системы, содержащие железо, цинк и медь. Совместно с ПАО «Татнефть» они получили и запатентовали новые катализаторы, которые позволят сделать переработку углекислого газа более эффективной.
Вопрос накопления в атмосфере парниковых газов из года в год звучит все острее. Какие пути решения этой проблемы предлагает наука в России?
Есть четыре основных вида парниковых газов, которые наносят колоссальный вред атмосфере. Это углекислый газ (СО2 ), самый крупнотоннажный из всех по масштабам выбросов, и оксид азота (N2О), который имеет в 300 раз больший парниковый эффект, чем углекислый газ, однако его выбросы в атмосферу значительно меньше. Помимо этого, опасен метан (CH4 ) и различные фреоны. В мире с ними пытаются бороться по очереди — берутся то за один газ, то за другой. Но в последнее время как в науке, так и в промышленности возник тренд на утилизацию СО2 . На это направлен ряд мировых соглашений — о сокращении выбросов, об углеродной нейтральности, увеличении штрафов. Кроме того, углекислый газ интересен тем, что его можно использовать как дешевый и возобновляемый источник углерода.
к. х. н. Александр Кустов, лауреат премии Правительства Москвы за 2022 год в номинации «Энергоэффективность и энергосбережение»
Основная стратегия борьбы с углекислым газом заключается в сокращении выбросов. Она подразумевает более экологичные процессы и совершенствование технологий. Вторая стратегия — это природный механизм, озеленение территорий, сокращение вырубок лесов. На мой взгляд, первые два способа борьбы с парниковыми газами самые эффективные.
Третий способ предполагает улавливание СО2 с помощью адсорбента и последующее захоронение в нефтяных скважинах. Это интересно, поскольку позволяет утилизировать большое количество углекислого газа, но вопрос в том, что с ним будет потом. Важно также, что процесс затратен с экономической точки зрения.
Четвертое направление, которым как раз занимается моя научная группа, — вовлечение СО2 в различные химические реакции с целью получения продуктов с добавленной стоимостью, например метанола, легких олефинов, диметилового эфира, углеводородов различного строения.
Здесь СО2 можно рассматривать как дешевый и возобновляемый источник углерода для синтеза различных молекул. Для Европы не менее актуально получение легких углеводородов из СО2 , например метана и других алканов, — эти газы там значительно дороже, чем в России. Но для их выработки требуется большее количество водорода, что увеличивает стоимость процесса.
Расскажите подробнее, чем занимается ваша исследовательская группа.
Наша ключевая задача — разработка эффективных каталитических систем для конверсии СО2 в такие ценные продукты, как метанол и легкие олефины. Преимущество процесса состоит в том, что синтез метанола и синтез олефинов из диоксида углерода идут параллельно, однако в зависимости от параметров реакции — температуры и давления, а также используемого активного металла, выход целевых продуктов будет изменяться.
Наша лаборатория — полного цикла, то есть мы занимаемся процессом от начала до конца. Изучая современную научную литературу, мы понимаем, куда двигаться, что развивать, находим слабые или еще неисследованные области и активно работаем в этих направлениях.
Процесс всегда начинается с разработки новых катализаторов, для получения которых мы применяем как традиционные методики синтеза, например пропитку и соосаждение, так и более сложные методы синтеза катализаторов, включая темплатные методы, СВЧ-синтез и ряд других. Затем мы испытываем полученные катализаторы на проточной каталитической установке с заданными параметрами, близкими к технологическим, и комплексно характеризуем их.
Отличная приборная база в трех институтах и доступ к центрам коллективного пользования позволяют нам проводить глубокие физико-химические исследования.
После мы сравниваем наши каталитические системы с промышленными катализаторами, а также анализируем результаты, опубликованные другими научными группами. Все это в совокупности позволяет нам уверенно двигаться вперед и проводить исследования на мировом уровне.
Изначально катализ — область, где нельзя все предсказать. В некоторых областях науки можно выполнить теоретические расчеты и получить представление о результате. В катализе же всегда много факторов, которые очень сложно предугадать, — синергизм металлов, влияние поверхности носителей, размера частиц и так далее. Даже небольшие добавки могут сильно менять свойства вещества. Например, калий, который мы добавляем в «гомеопатических» дозах — 0,1%, а то и меньше — сразу приводит к росту активности катализатора на 20–30%. При этом меняется и селективность по целевым продуктам. Так, в проекте по гранту РНФ одним из главных результатов наших исследований стала разработка нового катализатора для переработки СО2 , который в полтора раза превосходит по активности импортные аналоги — классические катализаторы синтеза метанола по процессу Фишера-Тропша* из угарного газа.
* Процессом Фишера — Тропша называют получение различных углеводородов из смеси угарного газа СО и водорода.
А что все-таки перспективнее — метанол или олефины?
На мой взгляд, метанол — более интересный продукт. Во-первых, он используется в качестве растворителей, добавок к топливу, а также при добыче и транспортировке природного газа. Это большой рынок сбыта. Во-вторых, метанол служит молекулой-платформой для получения продуктов тонкой химии, например для производства диметилового эфира, лекарственных препаратов, тех же олефинов и так далее. Кроме того, преимущество метанола в том, что он жидкий и легко транспортируется. Метан или легкие олефины, которые мы также получаем из СО2 — газообразные, поэтому перевозить их сложнее.
Также стоит отметить, что гидрирование СО2 в метанол — это низкотемпературный процесс, который осуществляется при 230–260°С. При этом требуется не критически высокое давление водорода, всего 40–50 атмосфер.
Главное преимущество нашей технологии заключается в том, что мы не используем дорогостоящие благородные металлы.
Основу составляют доступные активные компоненты, такие как медь, цинк и алюминий, что делает наш подход экономически оправданным.
Проточная каталитическая установка конверсии СО2 (оснащение комнаты произведено на средства гранта РНФ)
Какое положение занимает Россия в сфере переработки СО2 в ценные продукты на общемировом уровне?
В России эта тема относительно новая и активно развивается в последнее десятилетие. Наши исследования не остаются без внимания, результаты охотно публикуют крупные международные издания. Я бы сказал, что мы идем в ногу со временем.
Вы работаете по гранту Фонда уже три года. Каких результатов удалось добиться?
За это время наша научная группа провела колоссальную работу. Мы начали с того, что выполнили большой скрининг различных каталитических систем — до сих пор еще не все результаты опубликованы. Мы изучили различные носители для катализаторов, исследовали все возможные добавки щелочных, и в первую очередь калия, а также щелочноземельных металлов. Иногда приходится изобретать велосипед, однако без этого невозможно сделать что-то идеальное: есть риск пропустить нечто простое, что могло бы дать хороший эффект.
Кроме того, мы получили оптимизированные каталитические системы для гидрирования углекислого газа в метанол на основе медь-цинк-алюминия, модифицированного калием. Их производительность составляет более 0,7 грамма метанола на грамм катализатора в час — это очень хороший результат.
В промышленных процессах производительность катализатора составляет 0,2–0,3 грамма продукта на грамм катализатора в час, то есть мы увеличили этот показатель в два с половиной раза.
Конечно, при переходе к промышленным процессам есть вероятность снижения эффективности из-за технологических особенностей, однако будем надеяться, что она упадет не сильно. Также мы продвинулись в синтезе олефинов: разработали эффективные каталитические системы на основе железа — дешевого и доступного металла.
Какие перспективы своих технологий вы видите? Действительно ли получится с их помощью значимо повлиять на уровень выбросов углекислого газа?
Моя позиция такова: задачу сокращения выбросов СО2 надо решать комплексно. Необходимо активно озеленять территории, делать существующие технологические процессы более экологичными, совершенствовать подходы к захоронению углекислого газа. Но технологии, которые мы развиваем, также весьма перспективны. На заводах или теплоэлектростанциях, где велики выбросы углекислого газа с высокой концентрацией, можно поставить систему его улавливания и переработки. Кроме того, запасы нефтяных ресурсов истощаются, и уже через полвека это может сказаться на экономике. А значит, люди будут искать альтернативные варианты получения нефтепродуктов, и здесь как раз могут пригодиться подобные технологии и наши научные разработки.
Наблюдаете ли вы, в целом, интерес со стороны бизнеса?
Да. Последний год мы активно работали с бизнесом в рамках контракта по декарбонизации между Институтом органической химии РАН, Институтом нефтехимического синтеза и ПАО «Татнефть», и этот проект потенциально может иметь продолжение в виде пилотных испытаний. Первый год нашего сотрудничества был успешным: мы получили и запатентовали совместно с «Татнефтью» новые катализаторы — и все благодаря знаниям, полученным на этапе выполнения гранта РНФ. Но следует понимать, что промышленности важны не только экологические задачи, но еще и прибыль. Необходим баланс. Надо найти некую золотую середину, которая устроит все стороны.
Здесь все зависит от цен на водород и электроэнергию. Это сложный механизм. На первом этапе рассчитываются только входные параметры — стоимость катализатора и его производительность. А дальше следует большой экономический процесс, который необходимо настраивать.
Если сфокусироваться на прибыли — будет слабый экологический эффект, если на экологии — это скажется на прибыли. Определяющим фактором тут является источник водорода.
Если мы получим его «зеленым» способом, то есть с помощью электролиза, тогда экономической выгоды практически не будет, а в некоторых случаях компания может даже остаться в убытке. Зато процесс будет полностью экологичным и углеродно-нейтральным. Либо мы можем получить водород путем дегидрирования — риформинга. Такие промышленные процессы уже существуют. Например, дегидрирование различных алканов в олефины или же процессы ароматизации бутана. В этом случае производство окупится очень быстро — ориентировочно за 7–8 лет, но для экологии пользы окажется мало. Поэтому важно понимать, как настроить эту систему.
Анастасия Шестеркина — к. х. н, научный сотрудник Химического факультета МГУ, лауреат премии Правительства Москвы за 2022 год в номинации «Энергоэффективность и энергосбережение»
Как вы оцениваете поддержку РНФ?
Наша лаборатория оснащена, в основном, за счет гранта Фонда. Три года назад мы получили абсолютно пустую комнату, а теперь в ней находится все необходимое оборудование для синтеза и исследования. Благодаря поддержке РНФ мы имеем возможность готовить молодые кадры. В настоящий момент в моей научной группе ведут исследования пять аспирантов и большое число студентов-дипломников. Если бы не молодежные гранты РНФ, их было бы в 3–4 раза меньше.
Ни для кого не секрет, что молодежь заинтересована в прорывных направлениях, где есть интересные темы, современное оборудование и хорошие условия труда. Некоторые студенты и аспиранты проводят в лабораториях целый день, что должно достойно оплачиваться. Без грантов обеспечить это было бы почти невозможно.