může nás katalýza zachránit před naším problémem CO2?

planeta Země má problém s oxidem uhličitým. Denně slyšíme o emisích CO2, které přispívají k rostoucím globálním teplotám a bezprecedentní změně klimatu. Lidská činnost každoročně pumpuje do ovzduší odhadem 37,1 miliardy tun CO2, z čehož téměř 80% pochází přímo z fosilních paliv. Zatímco emise jsou v úpadku v některých vyspělých ekonomikách, globální trend rostoucí emise ukazuje malé známky zpomalení – ve skutečnosti, v roce 2019 se očekává, že vidět jeden z největších nárůstu atmosférického CO2, protože záznamy začal . Pokud bude situace pokračovat, šance na splnění cílů Pařížské dohody se zmenší na nic a přízrak nezvratného klimatického chaosu se stane děsivou realitou.

vědci z celého světa pracují na způsobech, jak tento problém vyřešit-včetně zachycení CO2 produkovaného aktivitami lidstva. Ale jakmile je zachycen, jak můžeme CO2 vytvořený jako vedlejší produkt tolika procesů dobře využít? Někteří říkají, že ji skladujte pod zemí, jiní navrhují, abychom s ní zacházeli jako s cenným zdrojem, který by neměl být vyhozen. Firmy už komercializují technologie, které zachycený CO2 přeměňují na stavební materiály, hnojiva a dokonce i plasty. Dalším návrhem je použít plyn přímo pro lepší těžbu ropy, i když zelené pověření této možnosti jsou pochybné.

jedna stále aktivnější oblast výzkumu si klade za cíl využít obnovitelnou elektřinu k přeměně nežádoucího CO2 na cenné chemikálie. Soustružení CO2 do paliv a surovin nejen změní znečišťující odpad v něco užitečného, ale také snižuje naši závislost na fosilních palivech, které vytvářejí to v první řadě. ‘Snažíme se zjistit, pokud bychom začít s CO2 jako zdroj uhlíku, spíše než ropné zdroje uhlíku, jaký druh chemie můžeme dělat a jaké produkty můžeme udělat,’ říká Feng Jiao, kdo vede skupinu výzkumu elektrochemické zařízení pro využití uhlíku na University of Delaware.

proces obvykle funguje tím, že krmení koncentrovaný proud CO2 do elektrolytické cely. CO2 je redukován na povrchu elektrody a v závislosti na počtu přenesených elektronů může být vytvořen rozsah molekul. Tyto produkty jsou vytvořeny v elektrolytu a poté přiváděny do separačního systému, zatímco elektrolyt a nezreagovaný CO2 jsou recyklovány. Běžnými produkty jsou oxid uhelnatý, metan a kyselina mravenčí. Jsou však možné složitější – a hodnotnější – produkty, jako je ethanol a dokonce i propanol.

Uhlíku,

Jiao provedla hloubkovou analýzu ekonomiky ve velkém měřítku CO2 electroreduction,1 a loni vypověděl amerického Senátu energie výbor o potenciálu technologie. Klíčovými finančními úvahami jsou cena zachyceného CO2, materiály elektrolyzérů a jejich životnost, čištění produktu a hlavně náklady na elektřinu, která tento proces řídí. “Náklady na elektřinu jsou opravdu významné, je to asi 70% celkových provozních nákladů,” poznamenává Jiao. To znamená, že vzhledem k tomu, že náklady na elektřinu z obnovitelných zdrojů stále klesají, elektrokatalytická přeměna CO2 se stává vzrušující vyhlídkou. Současné modely naznačují, že za cenu elektřiny £ 0 .03 / kWh se elektroredukce CO2 stává konkurenčním způsobem výroby několika produktů, které jsou běžněji odvozeny ze zdrojů fosilních paliv. Abychom to uvedli do kontextu, větrné projekty na pevnině již vyrábějí elektřinu za méně než 0.05 GBP za kWh, přičemž některé jsou trvale pod cílem 0.03 GBP.

další výhodou snížení emisí CO2 o více než, například, electrolysing vody na vodík, je to, že kapalných uhlovodíkových produktů generovány jsou připraveni nakrmit do stávající energetické a dopravní infrastruktury. Jiao také podotýká, že zatímco electrolyser technologií se v současné době používají v malém měřítku v laboratoři, jsou ze své podstaty škálovatelný a vhodný pro CO2 zdrojů, jako jsou elektrárny nebo chemičky. “Věřím, že tato technologie může být implementována v relativně krátkém časovém období,” dodává.

takže může technologie skutečně udělat důlek v množství CO2, které se uvolňuje po celém světě? Jiao odhaduje, že to bude trvat 1,5 bilionů wattů – což odpovídá zhruba 8% celkové světové produkce energie – převést CO2 uvolněné z NÁS energetického sektoru sám do nejjednodušších produktů. “Samozřejmě je to komplikovaný problém-určitě nebudete moci vzít veškerou elektřinu a provést tuto konverzi, protože jiná místa potřebují elektřinu,” říká. Jiao je však neústupný, že potřeba přestat používat fosilní paliva spolu s rostoucí dostupností obnovitelné elektřiny vytvoří jedinečnou příležitost pro elektrochemické systémy. “Ale nezapomeňte, elektrochemická konverze CO2 je jen součástí cesty k řešení problému emisí CO2,” dodává Jiao. Předpovídá budoucnost, kdy elektrokatalytické přístupy fungují jako součást sady technologií-včetně termochemických a biologických procesů-k řešení našich emisních potíží.

Uskutečnění této vize bude znamenat nalezení řešení řady problémů. Nadpotenciály potřebné k řízení procesu musí klesnout, takže ke snížení CO2 je zapotřebí méně elektřiny. Důležité je také zvýšení účinnosti přeměny-přeměna více CO2, který protéká systémem, na cenná paliva a vstupní suroviny. Ty musí být vytvořeny ve vysokých koncentracích s minimálními vedlejšími produkty, aby se snížily finanční i energetické náklady na separační směsi. A samotné produkty je třeba zlepšit – vytvořením složitější a cennější chemické technologie se stává úspornější, s větší návratnost investic. Nedávné pokroky učinily pokroky ve všech těchto cílech a posílily Jiao názor, že tato technologie bude v blízké budoucnosti životaschopná.

hodně práce se nyní děje do rozšíření druhů molekul, které můžete udělat. “Nejzajímavějšími materiály pro komunitu elektrolýzy CO2 jsou pravděpodobně katalyzátory na bázi mědi,” vysvětluje Jiao. Je to proto, že mohou vytvářet vazby uhlík-uhlík-takže můžete vytvořit sloučeniny C2 nebo dokonce C3.’Ethylen je zvláště atraktivní, jak to může být použit pro širokou škálu sloučenin, zatímco ethanol a propanol mohou být použity jako palivo.

Povrchové efekty

Přední přístupy vyžadují CO2 se nejprve redukuje na CO, který pak může reagovat dále. Dvoustupňový proces se jeví jako nejpravděpodobnější cesta vpřed pro technologie electrolyser. Nicméně, jedna nedávná zpráva ukázala zlato a měď tandemu katalyzátor, na kterém zlaté nanočástice generují vysoké koncentrace CO, které se pak dále snížit na alkoholy jako ethanol a n-propanol o okolní měděné fólie.2 Tento systém je 100krát selektivnější pro produkty C2 než jednotlivé uhlíkové produkty, jako je metan nebo methanol.

povrchová struktura katalyzátoru hraje zásadní roli. Elektroda skládá z měděných nanočástic na texturou na bázi grafenu filmu bylo prokázáno, že generování ethanol z CO2 v selectivities stejně vysoká jako 84% a jinde, bor-dopované měděné povrchy byly také ukazují na zlepšení katalyzátor stabilitu a C2 výrobek generace. Jiao je skupina má v poslední době ukázaly, že pečlivý výběr měděný povrch vystaven v 2D nanosheets může potlačit tvorbu společných produktů při generování acetát na vysokých sazeb a selectivities.

Ted Sargent vede skupinu na University of Toronto, která byla rozsáhle vyšetřování role, které vady hrát v katalyzátoru výkon. Nedávno vyvinuli částice mědi se speciálně přizpůsobenými nanocavities, které podporují tvorbu propanolu.3 dutiny účinně zachycují meziprodukty C2, které na ně nutí další uhlík. Systém dosáhl selektivity propanolu výrazně vyšší než ostatní nejmodernější katalyzátory. ‘Toto je skutečný pokrok, je to působivě vysoké faradaic účinnost pro C3 produktů, a to ukazuje rukojeť, páka na místo CO snížení na tři-uhlíkové výrobky,’ říká Sargent. Skupina také ukázala, že zavedení adčástic-shluků nízko koordinovaných atomů – na povrchy elektrod může poskytnout podobně působivé výsledky a Sargent věří, že další vývoj umožní v budoucnu výrobu C4 a ještě delších uhlíkových řetězců.

zatímco schopnost vyrábět tyto složité produkty je jasnou výhodou, nové inovace také zlepšují účinnost elektrolyzérských systémů. Zejména plynové difúzní elektrody překonávají problémy, které představuje nízká rozpustnost CO ve vodných elektrolytech a umožňují vyšší míry konverze. Tyto elektrody obsahují porézní vrstvu, kterou je plyn odeslán před dosažením katalyzátoru. Sargent je skupina prokázala, katalyzátor vytvořena z 100 nm silná vrstva mědi nanesená na bázi uhlíku, plynové difuzní vrstva, která umožnila výrobu ethylenu z CO2 s 70% selektivity.4 Mezitím tým Jiao použil porézní elektrody v systému, který nabízí nejrychlejší hlášenou elektroredukci CO na produkty dva uhlíky dlouhé i mimo ni. I v tomto případě je však pouze 26% celkového CO vstupujícího do buňky převedeno v jednom průchodu.5

plynové guzzlery

technické řešení problému konverze již může existovat. V další nedávné studii tým vedený Mattem Kananem ze Stanfordské univerzity přepracoval technologii proudění používanou v průmyslu palivových článků ke zlepšení difúze plynu. Tým použil interdigitované průtokové pole, aby vytlačil co nejvíce plynu do vrstvy difúze plynu elektrody v systému produkujícím octan sodný z CO.

‘První věc, kterou jsme udělali, bylo opravdu snaží maximalizovat přepravu CO do povrchu katalyzátoru a současně extrakce produktů od katalyzátoru dozadu,’ vysvětluje Kanan. A pak druhá velká věc, kterou jsme udělali bylo, že jsme hráli s rozhraní mezi elektrodou a zbytek buňky se opravdu snaží minimalizovat množství tekutého elektrolytu, takže jsme mohli vyrábět koncentrované tekuté produktu proudy,’ dodává. Systém dosahuje působivé 68% konverze CO vstupujícího do buňky v jednom průchodu.

kromě výroby paliv a vstupních surovin pro každodenní procesy by tyto elektrolyzéry CO2 mohly jednoho dne mít aplikace dále. Kananova skupina spolupracuje s Nasa na přeměně CO2 na potraviny a suroviny pro dlouhodobé vesmírné mise. ‘Podstata naší spolupráce je, že můžete inženýr mikroby, aby se substráty a produkovat všechny druhy věcí, které jsou užitečné pro udržení lidského života, včetně potravin a živin a vitamínů,’ vysvětluje Kanan. Ale z jistých důvodů nemůžete fotosyntetické organismy opravdu používat, prostě to není dost efektivní na to, abyste použili fotoreakci ve vesmíru.”

na podporu mikrobů v těchto podmínkách navrhuje Kananův tým recyklaci CO2 vydechovaného astronauty. Ukázalo se, že pokud můžete udělat C2 substrátu, zejména acetát, existuje celá řada mikroorganismů, které mohou nejen růst, ale lze použít acetát jako svůj zdroj uhlíku a energie pro biosyntézu a pro výrobu všechny druhy užitečných věcí,’ říká Kanan.

i když jsou tyto pokroky slibné, je třeba ještě udělat práci. Hlavní obavou je, že většina nových výzkumů se zaměřuje pouze na účinnost na straně buňky, kde dochází ke snížení. Jako společenství, musíme se začít dívat na celkový výkon účinnost konverze, protože naše technicko-ekonomické modely ukazují, že je potřeba, aby to vyšší než 50% a většina zařízení, která jsme hlášení jsou v 20-30% rozsahu – a to jsou ty nejlepší. říká Sargent. “Navrhování přístupů k dosažení maximální selektivity při vysokých proudech, ale při minimálním napětí, zůstává vysokou prioritou.”

ukázat, jak mohou být systémy konstruovány ve větších měřítcích a prokázat trvanlivost, bude také značnou výzvou. Ekonomický model Jiao zvažuje komerční systémy snižování CO2 s životností 20 let. “Ale v laboratoři můžeme sotva testovat jeden týden – takže tam je značná mezera,” říká.

nepochybně stále existují překážky, které je třeba překonat, než bude tato technologie použita v měřítku, ale použití čisté elektřiny k přeměně CO2 na paliva a suroviny, které lze rychle integrovat do stávající infrastruktury, je důležitým a dosažitelným cílem. Pole přitahuje velký zájem akademické obce, start-upy a vládní agentury a vývoj v příštích několika letech bude rozhodující, pokud nám technologie pomůže zachránit nás před sebou samými.