CO2 як паливо? Відкриття каталізатора перетворює викиди на можливості

Метанол є ключовим вихідним матеріалом для безлічі хімічних продуктів, включаючи пластмаси та паливо. Його часто описують як «універсальний попередник для виробництва широкого спектру хімічних речовин та матеріалів», по суті «швейцарський армійський ніж хімії», як зазначає Хав'єр Перес-Рамірес, професор каталізу в ETH Zurich.

Рідина відіграє ключову роль у переході до сталого виробництва хімічних продуктів та палива, але лише за умови, що енергія, яка використовується для виробництва водню та каталізу, виробляється сталим способом. У такому випадку метанол зрештою може вироблятися кліматично нейтральним способом, забезпечуючи екологічно чистий спосіб використання вуглекислого газу (CO₂) з атмосфери.

Однак традиційне виробництво метанолу є значною мірою нестійким, оскільки переважна більшість виробляється з викопного палива, що призводить до високих викидів парникових газів (ПГ).

Можливо, це вже не так, оскільки вчені з ETH Zurich розробили метод синтезу метанолу, який може стати основою хімічної промисловості без викопного палива. Опубліковано в Nature. Дослідження¹ детально описує, як рідкий спирт можна отримати з водню та вуглекислого газу, використовуючи окремі атоми металу як каталізатори.

Оскільки вчені продовжують досліджувати способи підвищення ефективності хімічних реакцій за допомогою каталізаторів, цей новий метод від дослідників ETH Zurich також може забезпечити більш економічне використання рідкісних та дорогих металів.

Розмістивши ізольовані атоми індію на матеріалі-носії, дослідники розробили каталізатор, який може перетворювати CO2.₂ і Н₂ на метанол набагато ефективніше.

Вуглецевий дисбаланс створює виклики та можливості

Вуглекислий газ (СО)₂) — це безбарвний, без запаху та нетоксичний газ, який відіграє життєво важливу роль у природних системах Землі. Рослини використовують CO₂ під час фотосинтезу для утворення багатих на енергію сполук та виділення кисню як побічного продукту. Цей процес є важливим для виживання людини. CO₂ також бере участь у глобальному вуглецевому кругообігу, де атоми вуглецю безперервно переміщуються між атмосферою, поверхнею Землі та живими організмами.

Незважаючи на своє природне значення, CO₂ функціонує як значний парниковий газ. Він затримує тепло сонячного світла в атмосфері, створюючи ефект потепління, який підтримує температуру, придатну для життя. Без парникових газів Земля була б занадто холодною для життя. Однак підвищені концентрації посилюють це потепління, спричиняючи глобальне потепління та зміну клімату.

Вуглець безперервно циклічно рухається через численні резервуари: гірські породи, осадові породи, атмосферу та живі організми. Він знову потрапляє в атмосферу через дихання, розпад організмів, виверження вулканів та пожежі. Однак зараз діяльність людини домінує в цьому балансі. З початку індустріалізації на початку 19 століття, освоєння земель та спалювання викопного палива призвели до викидів вуглецю, які значно перевищують те, що можуть поглинути природні поглиначі. В результаті атмосферний CO2₂ концентрації різко зросли і продовжують прискорюватися.

глобальне CO₂ викиди від викопного палива та промисловості досягли 38.11 мільярда метричних тонн (ГтCO₂) у 2025 році, збільшившись більш ніж на 69% з 1990 року, згідно з даними StatistaКитай є найбільший внесок до цих глобальних викидів парникових газів, а за ними йдуть США.

Індустріалізація та швидке економічне зростання в останні десятиліття призвели до збільшення викидів CO2 майже на 450%.₂ викидів в азійській країні за останні три з половиною десятиліття, на відміну від зниження на 6.1% у США, хоча північноамериканська країна залишається найбільший забруднювач вуглецю в історії.

Війна США та Ізраїлю проти Ірану призвела приблизно 5 мільйонів тонн викидів парникових газів за перші два тижні. Хоча глобальний CO₂ викиди продовжують зростати, поглиначі вуглецю на суші та в океані послабилися приблизно на 15% за останнє десятиліття, згідно з Глобальний проект вуглецюХоча було знайдено поглинач вуглецю на суші, CO2₂ викиди, що поглинаються рослинами та ґрунтами, відновлюються до свого початкового стануЕль-Ніньо сили після кількох надзвичайно слабких років.

Тим часом, дослідження, опубліковане в Nature² виявили, що скорочення поглиначів вуглецю сприяло приблизно 8% зростанню атмосферного CO2₂ концентрація з 1960 року. Поглинання вуглекислого газу також знизило pH океану на 0.1 одиниці, збільшивши його кислотність на 30%.

Отже, оскільки діяльність людини виділяє більше CO₂ в атмосферу потрапляє більше, ніж можуть видалити природні процеси, кількість вуглекислого газу в атмосфері продовжує зростати та встановлювати нові рекордні значення, що створює нагальну потребу у вирішенні проблеми CO₂ викиди.

Один зі способів вирішення цієї серйозної проблеми – перехід на відновлювану енергетику. Хоча сонячна, вітрова, гідроенергетика, геотермальна енергія та енергетика біомаси пропонують перспективні рішення, цей перехід – повільний, довгостроковий процес, що стикається з високими початковими капітальними витратами, потребами в інфраструктурі та технологічними викликами.

Інші шляхи включають впровадження сталого транспорту, підвищення енергоефективності та видалення існуючого вуглецю шляхом відновлення лісів та управління земельними ресурсами.

Усе це перспективні рішення, але що, якби ми могли вловлюють вуглекислий газ безпосередньо з навколишнього середовища, а потім використовувати його як сировину? Що, якби ми могли перетворити цей основний парниковий газ на паливо? Це було б проривом у кліматичних та енергетичних технологіях, оскільки це не лише допомогло б мінімізувати глобальне потепління, але й задовольнило б високий світовий попит на енергію.

Кілька досліджень досліджували способи конвертувати CO2₂ у паливо. Цей процес є вуглецево-нейтральним, оскільки паливо викидає однакову кількість CO2.₂ при спалюванні. Це передбачає уловлювання вуглекислого газу та використання відновлюваної енергії для його перетворення на вуглеводневе паливо, таке як метанол, дизельне паливо та бензин, за допомогою хімічних методів, таких як каталітичне гідрування або електрохімічне відновлення.

Метанол виділяється як один з найбільш практичних та масштабованих шляхів отримання CO2.₂ використання завдяки сумісності з існуючою інфраструктурою та універсальності в різних галузях промисловості.

Метанол (СН₃OH) — це безбарвний, легкозаймистий та високотоксичний спирт, що потрапляє в навколишнє середовище під час промислового використання, а також природним чином з мікробів, рослинності та вулканічних газів. У разі потрапляння всередину або всмоктування він становить значні ризики для здоров'я, включаючи сліпоту, відмову органів або смерть.

Рідка хімічна сполука використовується як антифриз, промисловий розчинник та хімічна сировина для пластмас, фарб, пінопластів, смол, фармацевтичної продукції та палива. Вона також служить енергоносієм для зберігання відновлюваної електроенергії, добавкою до традиційного палива та альтернативним рідким паливом. Як «чистіший» енергетичний ресурс, метанол працює в автобусах, автомобілях, вантажівках, суднах, котлах та паливних елементах. Його також використовують для виробництва диметилового ефіру (ДМЕ), ще одного відновлюваного палива.

Незважаючи на обіцянку, масштабування виробництва метанолу з CO2₂ все ще стикається з проблемами, включаючи високі енергетичні потреби, доступність водню та потребу в економічно ефективних каталізаторах. Поточні дослідження в цих напрямках швидко прогресують.

Натисніть тут, щоб дізнатися, як світло може переробляти вуглекислий газ.

Інновації з одним атомом забезпечують ефективне використання CO2₂ Перетворення

Щоб отримати метанол з вуглекислого газу та водню, дослідники з ETH Zurich досягли прогресу в дослідженнях каталізаторів.

Каталізатори використовуються з давніх часів. Наприклад, дріжджі, що використовуються для виробництва хліба, містять природні каталізатори (ферменти), які допомагають перетворювати борошно на хліб. З часом досягнення в галузі каталізаторів призвели до появи біорозкладних пластмас, нових фармацевтичних препаратів та екологічно безпечнішого палива.

Каталізатор — це речовина, яка допомагає зробити реакції легшими та ефективнішими. Ці «помічники реакцій» прискорюють хімічну реакцію або знижують тиск чи температуру, необхідні для її початку, не витрачаючись під час самої реакції.

Для початку хімічних реакцій потрібна енергія, оскільки зв'язки між атомами в молекулах мають бути перебудовані. Енергетичний бар'єр може бути невеликим, як-от запалювання сірника, або набагато вищим у промислових процесах, що призводить до збільшення витрат. Каталізатори допомагають знизити цей бар'єр, причому найефективніші з них часто містять метали, зокрема рідкісні та дорогі.

Прорив хіміків ETH Zurich призвів до розробки каталізатора, який суттєво знижує мінімальну енергію, необхідну для виробництва метанолу з CO2.₂ і водень. Дослідники досягли надзвичайно ефективного використання індію, завдяки чому кожен атом індію служить власним активним центром.

На відміну від попереднього підходу до досліджень каталізу методом спроб і помилок, нещодавно відкритий каталізатор дозволяє проводити точніший аналіз і розуміння реакцій, що відбуваються на його поверхні, тим самим прокладаючи шлях для більш оптимізованого та раціонального проектування каталізаторів.

«Наш новий каталізатор має одноатомну архітектуру, в якій ізольовані активні атоми металу закріплені на поверхні спеціально розробленого носія».

– Перес-Рамірес, директор Національного центру компетенції в дослідницькому каталізі (NCCR)

Хоча нещодавно відкритий каталізатор є одноатомним, традиційні каталізатори містять метали у вигляді агрегатів. Ці частинки дуже малі, але зазвичай вони містять сотні та тисячі атомів металу. Багато з цих атомів навіть не беруть безпосередньої участі в реакції. Але якщо ці атоми можуть працювати на індивідуальному рівні, вони можуть бути набагато ефективнішими, оскільки вчені можуть краще використовувати дефіцитні та дорогі хімічні елементи, що дозволить економічно вигідно використовувати дорогоцінні метали.

Також каталітичні властивості ізольованих атомів відрізняються від агрегатів.

«Індій вже понад десять років використовується в цьому каталізаторі», – зазначив Перес-Рамірес, який працює над кращими каталізаторами для CO2.₂виробництво метанолу на основі понад півтора десятиліття та має кілька патентів у цій галузі. «У нашому дослідженні ми показуємо, що ізольовані атоми індію на оксиді гафнію дозволяють ефективніше виробляти CO₂синтез метанолу на основі, ніж індій у формі наночастинок, що містять велику кількість атомів».

Індій (In) – це сріблясто-білий метал, постачання якого залежить переважно від цинкової гірничодобувної промисловості, причому індій є невеликим побічним продуктом. Китай (40%) є провідним виробником індію та контролює більшу частину світових запасів індію. Метал широко використовується в плівках, сплавах та напівпровідникових матеріалах оксиду індію та олова, необхідних для фотоелектричних елементів, припоїв, плоских дисплеїв, світлодіодів, термоінтерфейсних матеріалів та акумуляторів.

Щоб точно розмістити окремі атоми індію на поверхні оксиду гафнію, команда розробила кілька нових синтетичних шляхів. Ключовою частиною цієї роботи, виконаної у співпраці з іншими дослідницькими установами, було розробка матеріалу-носія для забезпечення стабільного, але реакційноздатного середовища для атомів.

Один із шляхів передбачав спалювання вихідних матеріалів у полум'ї за температури від 2,000 до 3,000°C перед швидким охолодженням. Це утримує індій на поверхні та забезпечує його міцне закріплення.

Вбудовування атомів каталізатора в термостійкий оксид гафнію продемонструвало, що одноатомні каталізатори можуть витримувати екстремальні умови, включаючи високі температури та тиск. Ця довговічність важлива, оскільки синтез метанолу з CO₂ а газоподібний водень вимагає температури до 300°C та тиску приблизно в 50 разів перевищує нормальний атмосферний тиск.

«Наноструктуровані оксиди індію-гафнію, синтезовані за допомогою піролізу полум'яним розпиленням, досягають до 70% вищої продуктивності метанолу для індію, ніж оксиди індію-цирконію, причому найбільший приріст спостерігається для окремих атомів індію», – йдеться в дослідженні.

Ще однією перевагою каталізаторів з ізольованими атомами є те, що вчені можуть аналізувати механізми реакцій зі значно меншою кількістю перешкод, що забезпечує чіткіше розуміння. Існуючі каталізатори, виготовлені з наночастинок, було досить важко вивчати. ​​Вони, по суті, були чорною скринькою. Хоча реакції відбуваються лише з невеликою кількістю атомів на поверхні, багато вимірювальних сигналів надходять від атомів всередині частинок, які не брали участі в реакції, що ускладнює інтерпретацію того, що відбувається.

«Розробка метанольного каталізатора та детальний аналіз механізму були б неможливими без цієї міждисциплінарної експертизи».

– Перес-Рамірес

Інвестування у переробку вуглецю

Корпорація Celanese (CE ) – це глобальна хімічна компанія та компанія з виробництва спеціальних матеріалів, яка виробляє інженерні полімери. Її ключові бізнес-сегменти включають інженерні матеріали та ацетильний ланцюг.

Примітно, що компанія безпосередньо займається перетворенням CO2.₂ на метанол. Завдяки Fairway Methanol, спільному підприємству з японською Mitsui & Co., Celanese має вловлювати близько 180 000 тонн CO2.₂ щорічно та виробляти 130 000 тонн низьковуглецевого метанолу на рік.

Нещодавно компанія отримала сертифікат вуглецевого сліду (CFC) для своїх марок Hostaform та Celcon POM ECO-C на виробничих майданчиках у Франкфурті та Техасі завдяки інвестиціям Celanese в технологію уловлювання та утилізації вуглецю (CCU) для зменшення викидів викопного палива без негативного впливу на експлуатаційні характеристики матеріалу.

З ринковою капіталізацією в 7 мільярдів доларів, акції Celanese зараз торгуються на рівні 62.47 долара, що на 48% більше з початку року. Акції компанії протягом останніх двох років демонстрували тенденцію до зниження після того, як на початку 2024 року перевищили позначку в 170 доларів, а наприкінці минулого року знизилися приблизно до 35 доларів, і зараз демонструють нове зростання.

Його прибуток на акцію (TTM) становить -10.40, а коефіцієнт P/E (TTM) -6.02. Дивідендна дохідність Celanese становить 0.19%.

Що стосується фінансових показників компанії, вона повідомила про зниження чистого обсягу продажів на 7% до 9.5 мільярда доларів за весь 2025 рік через 4% зниження як ціни, так і обсягу. Її операційний збиток склав 786 мільйонів доларів, тоді як розводнений збиток на акцію за GAAP становив 10.44 долара, а скоригований прибуток на акцію – 3.98 долара.

Celanese повідомила про нижчий, ніж зазвичай, попит на ключових кінцевих ринках, таких як фарби, покриття, автомобілебудування та будівництво, але залишалася зосередженою на збільшенні грошового потоку для зниження витрат, прискорення скорочення заборгованості та стимулювання зростання виручки.

«Наші річні результати демонструють силу наших планів дій та дисципліноване їх виконання у складних умовах».

– Генеральний директор Скотт Річардсон

У 2025 році компанія згенерувала операційний грошовий потік у розмірі 1.1 мільярда доларів США та повідомила про вільний грошовий потік у розмірі 773 мільйонів доларів США.

Це генерування грошового потоку, у поєднанні зі скороченням витрат на понад 120 мільйонів доларів, завершенням продажу активів Micromax, рефінансуванням короткострокових облігацій та впровадженням програм для стимулювання зростання та збагачення портфеля активів на ринках, що розвиваються, допомогло компанії досягти «значного прогресу в наших пріоритетах щодо скорочення боргового навантаження, покращення витрат та зростання виручки», – сказав Річардсон. За останній квартал Celanese повідомила про чистий обсяг продажів у розмірі 2.2 мільярда доларів, операційний прибуток у розмірі 93 мільйони доларів та скоригований прибуток на акцію у розмірі 0.67 долара.

Що стосується поточного кварталу, компанія очікує незначних змін попиту, але передбачає помірне сезонне покращення обсягів, таким чином очікуючи, що скоригований прибуток на акцію за перший квартал становитиме від 0.70 до 0.85 долара.

«Ми очікуємо ще один рік успішного генерування грошових коштів із цільовим вільним грошовим потоком від 650 до 750 мільйонів доларів. Хоча макроекономічне середовище залишається невизначеним, ми створили імпульс для розвитку. Ми вважаємо, що рішучі дії, які ми вживаємо, дозволять Celanese отримати значну вигоду від остаточного відновлення».

– Річардсон

Останні новини та події щодо акцій Celanese Corporation (CE)

Висновок

Перетворення вуглекислого газу на паливо представляє значну можливість перетворити кліматичну проблему на економічний актив. А завдяки інноваціям, таким як одноатомні каталізатори, які значно підвищують ефективність, шлях до виробництва метанолу з CO2...₂ стає більш життєздатним, ніж будь-коли. Але, звичайно, масштабування цього рішення вимагатиме великої кількості відновлюваної енергії, економічно ефективного виробництва водню та сприятливих політичних рамок. Як тільки всі ці фактори узгодяться, CO₂ має потенціал перетворитися з однієї з найбільших екологічних проблем світу на один з найважливіших його ресурсів.

Посилання

1. Чжан, Х., Лю, Ю., Ван, К., Лі, Дж., Чень, З., Чжао, Х., Сюй, Л., Сунь, К., Чжоу, К., Ян, Ф., Ву, Т., Го, С., Лі, Ю., Хуан, Дж., Ден, Д., Бао, Х. та Лі, К. Окремі атоми індію забезпечують ефективне утворення CO2.₂ гідрування до метанолу. Nature Nanotechnology (2026). https://doi.org/10.1038/s41565-026-02135-y
2. Фрідлінгштайн, П., Ле Кере, К., О'Салліван, М., Гаук, Дж., Ландшуцер, П., Луйккс, І.Т., Лі, Х., ван дер Воуде, А., Швінгшакль, К., Понграц, Дж., Реньє, П., Ендрю, Р.М., Баккер, Д.Ц.Е., Канаделл, Дж.Г., Сіайс, П., Гассер, Т., Джонс, М.В., Лан, X., Морган, Е., Олсен, А., Пітерс, Г.П., Пітерс, В., Сітч, С. і Тіан, Х. Вплив клімату на поглиначі вуглецю в консолідованому бюджеті вуглецю. Nature 649, 98–103 (2026). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09802-5