Voiko katalyysi pelastaa meidät CO2-ongelmaltamme?

planeetta maalla on hiilidioksidiongelma. Kuulemme päivittäin CO2-päästöistä, jotka edistävät maapallon lämpötilan nousua ja ennennäkemätöntä ilmastonmuutosta. Ihmisen toiminta pumppaa vuosittain ilmaan arviolta 37,1 miljardia tonnia hiilidioksidia, josta lähes 80 prosenttia tulee suoraan fossiilisista polttoaineista. Vaikka päästöt ovat laskussa joissakin kehittyneissä talouksissa, globaali suuntaus päästöjen lisääntymisestä ei näytä juurikaan hidastumisen merkkejä-itse asiassa vuoden 2019 odotetaan näkevän yhden suurimmista ilmakehän CO2-tasojen kasvusta sitten ennätysten alkamisen . Jos tilanne jatkuu, mahdollisuudet Pariisin sopimuksen tavoitteiden saavuttamiseen hupenevat olemattomiin ja peruuttamattoman ilmastokaaoksen haamu muuttuu kauhistuttavaksi todellisuudeksi.

tutkijat ympäri maailmaa pyrkivät ratkaisemaan tämän ongelman-mukaan lukien ihmiskunnan toiminnan tuottaman hiilidioksidin talteenotto. Mutta kun se on otettu talteen, miten voimme hyödyntää niin monien prosessien sivutuotteena syntynyttä hiilidioksidia? Jotkut sanovat tallentaa sen maan alla, toiset ehdottavat meidän pitäisi kohdella sitä arvokas resurssi, jota ei pitäisi dumpata. Yritykset kaupallistavat jo teknologioita, jotka muuttavat talteen otetun hiilidioksidin rakennusmateriaaleiksi, lannoitteiksi ja jopa muoveiksi. Toinen ehdotus on, että kaasua käytettäisiin suoraan öljyn talteenoton tehostamiseen, vaikka tämän vaihtoehdon vihreiden kannattavuus on kyseenalaista.

yksi yhä aktiivisempi tutkimusalue pyrkii valjastamaan uusiutuvan sähkön muuttamaan ei-toivotun hiilidioksidin arvokkaiksi kemikaaleiksi. Hiilidioksidin muuttaminen polttoaineiksi ja raaka-aineiksi ei ainoastaan muuta saastuttavaa jätetuotetta hyödylliseksi, vaan myös vähentää riippuvuuttamme fossiilisista polttoaineista, joista sitä ylipäätään syntyy. “Yritämme nähdä, että jos aloitamme CO2: sta hiililähteenä eikä öljyhiilen lähteenä, millaista kemiaa voimme tehdä ja millaisia tuotteita voimme valmistaa”, sanoo Feng Jiao, joka johtaa ryhmää, joka tutkii hiilen hyödyntämiseen tarkoitettuja sähkökemiallisia laitteita Delawaren yliopistossa.

prosessi toimii yleensä syöttämällä väkevää hiilidioksidivirtaa elektrolyysikennoon. Hiilidioksidi pelkistyy elektrodin pinnalla ja siirrettyjen elektronien määrästä riippuen voidaan valmistaa erilaisia molekyylejä. Nämä tuotteet muodostuvat elektrolyytissä ja syötetään sitten erotusjärjestelmään, kun taas elektrolyytti ja reagoimaton CO2 kierrätetään. Yleisiä tuotteita ovat hiilimonoksidi, metaani ja muurahaishappo. Mutta monimutkaisemmat – ja arvokkaammat-tuotteet, kuten etanoli ja jopa propanoli, ovat mahdollisia.

Hiilitalous

Jiao on tehnyt perusteellisen analyysin suuren mittakaavan CO2-sähkövähennyksen taloudesta,1 ja viime vuonna todisti Yhdysvaltain senaatin energiakomitealle teknologian mahdollisuuksista. Keskeisiä taloudellisia näkökohtia ovat kaapatun CO2: n hinta, elektrolysaattoreiden materiaalit ja niiden käyttöikä, tuotteen puhdistus ja, mikä tärkeintä, prosessia ajavan sähkön hinta. “Sähkön hinta on todella merkittävä, se on noin 70 prosenttia kokonaiskustannuksista”, Jiao toteaa. Tämä tarkoittaa sitä, että kun uusiutuvista lähteistä peräisin olevan sähkön hinta laskee edelleen, hiilidioksidin sähköteknisestä muuntamisesta tulee houkutteleva vaihtoehto. Nykyiset mallit viittaavat siihen, että sähkön hinta on £0.03 / kWh, CO2-sähkövähennyksestä tulee kilpailukykyinen tapa tuottaa useita tuotteita, jotka ovat yleisemmin peräisin fossiilisista polttoaineista. Tässä yhteydessä onshore – tuuliprojektit tuottavat sähköä jo alle 0,05 punnalla kWh: ta kohti, ja jotkin hankkeet ovat jatkuvasti alle 0,03 punnan tavoitteen.

hiilidioksidin vähentämisen lisäetu verrattuna esimerkiksi veden elektrolysointiin vedyn valmistamiseksi on se, että syntyvät nestemäiset hiilivetytuotteet ovat valmiita syötettäviksi olemassa oleviin Energia-ja liikenneinfrastruktuureihin. Jiao huomauttaa myös, että vaikka elektrolyysiteknologioita käytetään nykyisin laboratoriossa pienessä mittakaavassa, ne ovat luonnostaan skaalautuvia ja soveltuvat CO2-lähteisiin, kuten voimalaitoksiin tai kemiantehtaisiin. “Uskon, että tämä teknologia voidaan ottaa käyttöön suhteellisen lyhyessä ajassa”, hän lisää.

voiko teknologia siis todella vaikuttaa maailmanlaajuisesti vapautuviin HIILIDIOKSIDIMÄÄRIIN? Jiao arvioi, että pelkästään Yhdysvaltain energiasektorin vapauttaman hiilidioksidin muuntamiseen yksinkertaisimmiksi tuotteiksi tarvittaisiin 1,5 biljoonaa wattia – mikä vastaa noin 8 prosenttia maailman kokonaisenergiatuotannosta. “Tietenkin tämä on monimutkainen ongelma – et varmasti voi vain ottaa kaikkea sähköä ja tehdä tätä muuntamista, koska muut paikat tarvitsevat sähköä”, hän sanoo. Jiao on kuitenkin vakuuttunut siitä, että tarve lopettaa fossiilisten polttoaineiden käyttö yhdistettynä uusiutuvan sähkön kasvavaan saatavuuteen luo ainutlaatuisen mahdollisuuden sähkökemiallisille järjestelmille. “Mutta älä unohda, sähkökemiallinen CO2 muuntaminen on vain osa polkua käsitellä CO2-päästökysymys,” lisää Jiao. Hän ennustaa tulevaisuutta, jossa elektrokatalyyttiset lähestymistavat toimivat osana teknologioiden sarjaa – mukaan lukien lämpökemialliset ja biologiset prosessit – päästöhuolien torjumiseksi.

tämän vision toteuttaminen merkitsee ratkaisujen löytämistä moniin kysymyksiin. Prosessin ajamiseen tarvittavien liikapotentiaalien on laskeuduttava niin, että hiilidioksidipäästöjen vähentämiseksi tarvitaan vähemmän sähköä. Konversiotehokkuuden lisääminen on myös tärkeää – järjestelmän läpi virtaavan hiilidioksidin muuntaminen arvokkaiksi polttoaineiksi ja raaka-aineiksi. Näitä on muodostettava suurina pitoisuuksina vähäisin sivutuottein erotusseosten kustannusten – sekä taloudellisten että energisten-alentamiseksi. Ja itse tuotteita on parannettava – luomalla monimutkaisempia ja arvokkaampia kemikaaleja teknologiasta tulee taloudellisempaa, ja sijoitetun pääoman tuotto on suurempi. Viimeaikaiset edistysaskeleet ovat edistyneet kaikissa näissä tavoitteissa ja vahvistaneet Jiaon näkemystä siitä, että tämä teknologia on elinkelpoista lähitulevaisuudessa.

nyt tehdään paljon työtä sen eteen, millaisia molekyylejä voidaan valmistaa. “CO2-elektrolyysiyhteisön kiinnostavimmat materiaalit ovat luultavasti kuparipohjaiset katalyytit”, Jiao selittää. ‘Tämä johtuu siitä, että nämä voivat tehdä hiili-hiili sidoksia – joten voit tehdä C2-tai jopa C3-yhdisteitä.”Etyleeni on erityisen houkutteleva, koska siitä voidaan valmistaa valtava määrä yhdisteitä, kun taas etanolia ja propanolia voidaan käyttää polttoaineina.

Pintavaikutukset

johtavat lähestymistavat edellyttävät, että CO2 ensin pelkistetään CO: ksi, joka voi sitten reagoida edelleen. Kaksivaiheinen prosessi vaikuttaa todennäköisimmältä etenemistavalta elektrolyysiteknologioissa. Eräs tuore raportti kuitenkin osoitti kullan ja kuparin tandem-katalyytin, johon kultananohiukkaset tuottavat suuren Co-pitoisuuden, joka sitten pelkistyy alkoholeiksi, kuten etanoliksi ja n-propanoliksi, ympäröivän kuparifolion avulla.2 Tämä järjestelmä on 100 kertaa selektiivisempi C2-tuotteille kuin yksittäiset hiilituotteet, kuten metaani tai metanoli.

katalyytin pintarakenteella on tärkeä merkitys. Kuvioidun grafeenipohjaisen kalvon kuparinanohiukkasista koostuvan elektrodin osoitettiin tuottavan etanolia CO2: sta jopa 84-prosenttisesti, ja muualla boori-seostettujen kuparipintojen on myös osoitettu parantavan katalyytin stabiilisuutta ja C2-tuotteen tuotantoa. Jiaon ryhmä on viime aikoina osoittanut, että 2D-nanokoneissa altistuvan kuparipinnan huolellinen valinta voi estää yhteisten sivutuotteiden muodostumisen ja samalla tuottaa asetaattia suurilla nopeuksilla ja selectivities.

Ted Sargent johtaa Toronton yliopistossa ryhmää, joka on tutkinut laajasti vikoja katalysaattorin esityksessä. He kehittivät hiljattain kuparihiukkasia, joissa on erityisesti räätälöityjä nanokapasiteetteja, jotka edistävät propanolin muodostumista.3 ontelot vangitsevat tehokkaasti C2-välituotteita, jotka pakottavat niihin toisen hiilen. Järjestelmässä propanolin selektiivisyys oli huomattavasti korkeampi kuin muilla huipputeknisillä katalyyteillä. “Tämä on todellinen edistysaskel, se on vaikuttavan korkea faradaic tehokkuus C3 tuotteita ja se osoittaa kahva, vipu osoittaa CO vähentäminen kohti kolmen hiilen tuotteita,” sanoo Sargent. Ryhmä on myös osoittanut, että adpartikkelien – heikosti koordinoituneiden atomien klustereiden-tuominen elektrodipinnoille voi tuottaa yhtä vaikuttavia tuloksia, ja Sargent uskoo, että jatkokehitys mahdollistaa C4: n ja jopa pitempien hiiliketjujen tuotannon tulevaisuudessa.

vaikka kyky valmistaa näitä monimutkaisia tuotteita on selvä etu, uudet innovaatiot parantavat myös elektrolyysijärjestelmien tehokkuutta. Kaasudiffuusioelektrodit voittavat erityisesti CO: n alhaisen liukoisuuden vesipitoisiin elektrolyytteihin aiheuttamat ongelmat ja mahdollistavat korkeammat muuntokurssit. Nämä elektrodit sisältävät huokoisen kerroksen, jonka läpi kaasu lähetetään ennen kuin se pääsee katalyyttiin. Sargentin ryhmä demonstroi katalyytin, joka muodostui 100 nm: n paksuisesta kuparikerroksesta, joka oli talletettu hiilipohjaiseen kaasudiffuusiokerrokseen, joka mahdollisti eteenin tuotannon CO2: sta 70% selektiivisyydellä.4 samaan aikaan, Jiao tiimi on käyttänyt huokoisia elektrodeja järjestelmässä, joka tarjoaa nopeimmin raportoitu electroreduction CO tuotteita kaksi hiiltä pitkä ja sen jälkeen. Kuitenkin tässäkin tapauksessa vain 26% kennoon tulevasta KOKONAISHIILIHYDROKLORIDISTA muunnetaan yhdellä syötöllä.5

Kaasusukeltajat

konversio-ongelmaan saattaa olla jo olemassa tekninen ratkaisu. Toisessa tuoreessa tutkimuksessa Stanfordin yliopiston Matt Kananin johtama ryhmä uudisti polttokennoteollisuudessa käytettävää virtausteknologiaa kaasun diffuusion parantamiseksi. Ryhmä käytti interdigitoitua virtauskenttää pakottaakseen mahdollisimman paljon kaasua elektrodin kaasudiffuusiokerrokseen järjestelmässä, joka tuottaa natriumasetaattia CO: sta.

‘ensimmäinen asia, jonka teimme, oli todella yrittää maksimoida CO: n kulkeutuminen katalyytin pinnalle ja samalla tuotteiden uuttaminen katalyytistä takaisin ulos, Kanan selittää. “Ja sitten toinen iso asia, jonka teimme, oli se, että leikimme elektrodin ja muun solun rajapinnalla yrittääksemme todella minimoida nestemäisen elektrolyytin määrän, jotta voisimme tuottaa väkeviä nestemäisiä tuotevirtoja”, hän lisää. Järjestelmä saavuttaa vaikuttavan 68%: n muunnoksen soluun saapuvasta CO: sta yhdellä syötöllä.

sen lisäksi, että nämä CO2-elektrolysaattorit valmistavat polttoaineita ja raaka-aineita jokapäiväisiin prosesseihin, niillä voisi jonain päivänä olla sovelluksia kauempanakin. Kananin ryhmä työskentelee Nasan kanssa CO2: n muuttamiseksi ruoaksi ja raaka-aineeksi pitkäaikaisia avaruuslentoja varten. “Yhteistyömme ydin on siinä, että mikrobeja voidaan kehittää ottamaan substraatteja ja tuottamaan kaikenlaisia asioita, jotka ovat hyödyllisiä ihmiselämän ylläpitämiseksi, mukaan lukien ruoka, ravinteet ja vitamiinit”, Kanan selittää. Mutta tietyistä syistä fotosynteettisiä organismeja ei voi käyttää, se ei vain ole tarpeeksi tehokas fotoreaktioon avaruudessa.”

mikrobien tukemiseksi näissä olosuhteissa Kananin ryhmä ehdottaa astronauttien hengittämän hiilidioksidin kierrätystä. “On käynyt ilmi, että jos pystyy valmistamaan C2-substraattia, erityisesti asetaattia, on olemassa joukko mikro-organismeja, jotka eivät voi vain kasvaa, vaan voivat käyttää asetaattia hiilenä ja energianlähteenä biosynteesissä ja kaikenlaisten hyödyllisten asioiden valmistamisessa”, Kanan sanoo.

vaikka nämä edistysaskeleet ovat lupaavia, työtä on vielä tehtävänä. Suuri huoli on, että suurin osa uudesta tutkimuksesta keskittyy vain sen solun puolen tehokkuuteen, jossa pieneneminen tapahtuu. “Yhteisönä meidän on alettava tarkastella sähkönsiirron kokonaistehokkuutta, koska teknis-taloudelliset mallimme osoittavat, että tämän on ylitettävä 50% ja suurin osa raportoimistamme laitteista on 20-30% – ja ne ovat parhaita.”sanoo kersantti. “Lähestymistapojen suunnittelu mahdollisimman valikoivuuden saavuttamiseksi suurilla virroilla, mutta vähimmäisjännitteellä, on edelleen erittäin tärkeää.”

on myös huomattava haaste osoittaa, miten järjestelmät voidaan sitten suunnitella suuremmilla mittakaavoilla ja osoittaa kestävyys. Jiao ‘ s economic model considered commercial CO2 reduction systems with lifetime of 20 years. “Mutta laboratoriossa voimme tuskin testata viikon – joten siellä on merkittävä aukko”, hän sanoo.

on epäilemättä vielä esteitä, jotka on voitettava ennen kuin tätä teknologiaa voidaan käyttää laajassa mittakaavassa, mutta puhtaan sähkön käyttö hiilidioksidin muuntamiseksi polttoaineiksi ja raaka-aineiksi, jotka voidaan nopeasti integroida olemassa olevaan infrastruktuuriin, on tärkeä ja saavutettavissa oleva tavoite. Ala herättää suurta kiinnostusta korkeakouluissa, start-upeissa yrityksissä ja valtion virastoissa, ja lähivuosina tapahtuva kehitys on ratkaisevaa, jos teknologian halutaan auttavan pelastamaan meidät itseltämme.