Транспортные средства, работающие на дизельном топливе, вносят значительный вклад в выбросы углерода, что делает путь к декарбонизации трудным.
По данным Управления энергетической информации США, в 2022 году на долю дизельного топлива приходилось около 25% общих выбросов углекислого газа от транспорта в США и около 10% общих выбросов углекислого газа, связанных с энергетикой.
Для решения этой проблемы Джошуа Юань с кафедры энергетики, охраны окружающей среды и химической инженерии Вашингтонского университета совместно с Сьюзи Дай, профессором химической и биомедицинской инженерии MizzouForward в Университете Миссури, разработали метод с использованием электро катализа для преобразования углекислого газа в электро биодизель.
Этот новый процесс в 45 раз эффективнее и требует в 45 раз меньше земли, чем традиционное производство биодизеля на основе сои.
Результаты их работы опубликованы в онлайн-журнале Joule .
Электро-биодизель
«Эту новую идею можно применить в экономике замкнутого цикла для производства топлива, химикатов, материалов и пищевых ингредиентов с отрицательным уровнем выбросов с гораздо большей эффективностью, чем при фотосинтезе, и с меньшими выбросами углерода, чем при нефтехимии», — сказал Юань, который начал работу с Даем в Техасском университете A&M.
«Мы системно решили проблемы электро био производства, определив метаболические и биохимические ограничения использования двух атомного углерода, и преодолели эти ограничения».
Команда использовала электрокатализ — химическую реакцию, инициируемую переносом электронов к реагентам на поверхности катализаторов и обратно, — для преобразования диоксида углерода в биосовместимые промежуточные соединения, такие как ацетат и этанол.
Затем микробы преобразовали промежуточные продукты в липиды или жирные кислоты, которые в конечном итоге стали сырьем для биодизеля, сказал Юань, который также является директором финансируемого Национальным научным фондом Инженерно-исследовательского центра (ERC) по перепроектированию утилизации углерода для биопроизводства с поддержкой декарбонизации (CURB).
Новый микробный и каталитический процесс, разработанный Юанем, Даем и их командами, позволил их электробиодизелю достичь эффективности преобразования солнечной энергии в молекулу 4,5% для преобразования углекислого газа в липиды, что значительно эффективнее биодизеля.
Юань объяснил, что естественный фотосинтез у наземных растений обычно составляет менее 1%, при этом менее 1% энергии солнечного света преобразуется в биомассу путем преобразования CO2 в разнообразные молекулы для роста растений.
CO2 в качестве топлива
«Количество энергии, направляемой на предшественник биодизеля, липид, еще меньше, поскольку липид обладает высокой энергоёмкостью», — сказал он.
«Напротив, электробиодизельный процесс может преобразовывать 4,5% солнечной энергии в липиды, когда солнечная панель вырабатывает электричество для электрокатализа, что намного выше, чем естественный процесс фотосинтеза.
Для ускорения электрокатализа группа разработала новый катализатор на основе цинка и меди, который производит двухатомные углеродные промежуточные продукты, которые можно преобразовать в липиды с помощью специально разработанного штамма бактерии Rhodococcus jostiii (RHA1), известной своей способностью производить продукты с высоким содержанием липидов.
Этот штамм также усилил метаболический потенциал этанола, что могло способствовать ускорению превращения ацетата, промежуточного продукта, в жирную кислоту.
После разработки нового процесса команда проанализировала его влияние на изменение климата и получила обнадеживающие результаты.
Используя возобновляемые ресурсы для электрокатализа, электробиодизельный процесс может сократить выбросы углекислого газа на 1,57 грамма на грамм электробиодизельного топлива, произведенного с использованием побочных продуктов биомассы, этилена и других, что дает ему потенциал для отрицательных выбросов.
Напротив, при традиционном производстве дизельного топлива из нефти выделяется 0,52 грамма углекислого газа на грамм, а при производстве биодизеля выделяется от 2,5 до 9,9 грамма углекислого газа на грамм произведенных липидов.
«Это исследование подтверждает концепцию широкой платформы для высокоэффективного преобразования возобновляемой энергии в химические вещества, топливо и материалы для устранения фундаментальных ограничений человеческой цивилизации», — сказал Юань.
«Этот процесс может устранить нехватку сырья для биодизеля и трансформировать широкомасштабное производство возобновляемого топлива, химикатов и материалов за счет достижения независимости от ископаемого топлива в секторах, зависящих от ископаемого топлива, таких как дальнобойные большегрузные автомобили и самолеты».