Чи не було б чудово, якби ми могли виготовляти матеріал, необхідний для акумуляторів, витягуючи вуглекислий газ прямо з повітря? Це звучить занадто добре, щоб бути правдою, але хіміки знайшли спосіб.

Електроліз розплавлених солей передбачає проколювання надзвичайно нагрітих солей електродами. Цей обережний процес буквально витягує вуглекислий газ з повітря, перебудовуючи зв'язки між атомами вуглецю та кисню, і фіксуючи вуглець у твердому стані, наприклад, у графіті.

Протягом десятиліть вчені цікавилися, що саме відбувається на молекулярному рівні під час цієї реакції при температурі 500 градусів Цельсія (932 градуси Фаренгейта). Тепер, вперше, їм вдалося побачити це на власні очі.

У статті, опублікованій в Nature Communications, команда на чолі з хімічним фізиком Сандером Ратсо з Каліфорнійського університету в Берклі описує процес, який дозволив їм спостерігати в реальному часі за перетворенням матеріалів, а також виявляти вібраційні моди зв'язків у молекулах.

"Дуже просто кажучи, раніше ми готували в закритій печі, а тепер ми поставили вікно в неї", - сказав Ратсо.

"Розуміння того, як ця реакція відбувається і як структура вуглецю змінюється з часом, є першим кроком до контролю та, зрештою, до проектування структури, яка виходить з електролізу".

"Це велика перемога в більшій справі синтезу критичних матеріалів і матеріалів для акумуляторів за допомогою розплавлених солей", - говорить Майк Уіттакер, геолог Землі в Лоренс Берклі національній лабораторії.

Цей підхід надав безпрецедентні деталі про еволюцію вуглецю та проміжних видів під час електролізу CO₂, виявивши двоступеневий шлях реакції.

Використовуючи раманову спектроскопію для спостереження за електролізом в дії, дослідники помітили смуги світла, що вказують на появу пероксиду, адсорбованого на вуглеці, оскільки вуглець поступово осаджувався.

Вчені насправді пропонували, що пероксид може бути проміжною частиною процесу ще в 1999 році.

"Смуга пероксиду... з'являється повторно і зростає одночасно з осадженням вуглецю, надаючи прямі докази того, що [пероксид] є механістичним проміжним продуктом, що веде шлях CO₂ до вуглецю за наших умов", - пишуть Ратсо та команда у своїй опублікованій статті.

Різні види осадженого вуглецю з'являлися в залежності від того, які катоди використовували дослідники, хоча основна реакція залишалася незмінною.

На чистому нікелевому катоді вони виявили вуглець у формі нанотрубок і пластинчастих форм.

Катод, виготовлений з сплаву Inconel 600, майже виключно виробляв пластини.

А на електроді з золота вуглець осаджувався у вигляді "аморфних" грудок.

Катод з вольфраму призвів до більш аморфного вуглецю, а також до приємного додавання "вуглецевих нано-цибулин".

Ці спостереження можуть допомогти вченим налаштувати процес залежно від того, яка форма вуглецю потрібна – наприклад, та, що використовується в акумуляторах, смартфонах та промисловому обладнанні.

"Якщо ви зможете запустити цей процес при низьких температурах з дійсно дешевими солями, ви зможете мати його в багатьох місцях, і ви зможете генерувати достатньо графіту, щоб постачати його в ланцюги акумуляторів", - говорить Уіттакер.

Декілька компаній вже використовують цю технологію на промисловому рівні, виробляючи кілограми до тонн вуглецевих продуктів. Ратсо є співзасновником однієї з них.

"Однак, наскільки я знаю, всі ці компанії зосереджені на конкретних продуктах, для яких умови синтезу були виведені з екс-ситу проб і помилок", - пояснив Ратсо.

"В основному, ви синтезуєте матеріал, перевіряєте його структуру, потім змінюєте змінну синтезу і знову перевіряєте, що виходить з реактора. Це зробило будь-які поліпшення в властивостях вуглецевих матеріалів трудомісткими та дорогими, і обмежило асортимент і якість доступних матеріалів".

Інсайти з оперативної раманової спектроскопії можуть зробити процес набагато ефективнішим.

Поточні методи виробництва вуглеців, що використовуються в акумуляторах і паливних елементах, супроводжуються величезними еквівалентами CO₂ (кілограми CO₂, що викидаються на кілограм виробленого матеріалу).

Отже, отримання графіту з вуглекислого газу в атмосфері є дуже привабливою концепцією – це не тільки може зменшити майбутні викиди, але й активно видалити частину з тих, що вже були викинуті.

В теорії, звичайно. Експерти погоджуються, що захоплення вуглецю, його використання та зберігання не зможуть самостійно вирішити наші кліматичні проблеми. Однак Ратсо вважає, що ця техніка виробництва графіту може зіграти свою роль.

"Метод електролізу розплавлених солей може виготовляти ці матеріали з негативними еквівалентами CO₂, коли його поєднують з вітровою, сонячною або ядерною енергією", - сказав Ратсо.

"Я твердо вірю, що це одна з найважливіших технологій, які можуть справді вплинути на рівень CO₂ в навколишньому середовищі".

Дослідження було опубліковане в Nature Communications.