a katalízis megmenthet minket a CO2 problémánktól?

a Föld bolygónak szén-dioxid problémája van. Naponta hallunk arról, hogy a CO2-kibocsátás hozzájárul a globális hőmérséklet emelkedéséhez és a példátlan éghajlatváltozáshoz. Az emberi tevékenységek becslések szerint 37,1 milliárd tonna CO2-t pumpálnak a levegőbe évente, ennek csaknem 80% – a közvetlenül fosszilis tüzelőanyagokból származik. Míg a kibocsátás néhány fejlett gazdaságban csökken, a kibocsátás növekedésének globális tendenciája kevés jelét mutatja a lassulásnak – valójában 2019-ben várhatóan a légköri CO2-szint egyik legnagyobb növekedése lesz a rekordok kezdete óta . Ha a helyzet folytatódik, a Párizsi Megállapodásban foglalt célok elérésének esélye semmivé válik, és a visszafordíthatatlan éghajlati Káosz kísértete félelmetes valósággá válik.

a tudósok szerte a világon dolgoznak azon, hogy megoldják ezt a problémát – beleértve az emberiség tevékenységei által termelt CO2 befogását. De miután elfogták, hogyan tudjuk jó hasznát venni a sok folyamat melléktermékeként képződött CO2-nak? Egyesek szerint tárolja a föld alatt, mások szerint értékes erőforrásként kell kezelnünk, amelyet nem szabad kidobni. A vállalatok már most is forgalmaznak olyan technológiákat, amelyek a megkötött CO2-t építőanyagokká, műtrágyákká, sőt műanyagokká alakítják. Egy másik javaslat az, hogy a gázt közvetlenül az olaj fokozott visszanyerésére használják, bár ennek a lehetőségnek a zöld hitelesítő adatai kétségesek.

az egyik egyre aktívabb kutatási terület célja a megújuló villamos energia hasznosítása, hogy a nem kívánt CO2 értékes vegyi anyagokká váljon. Ha a CO2-t tüzelőanyagokká és nyersanyagokká alakítjuk, akkor a szennyező hulladékból nem csak valami hasznosat csinálunk, hanem csökkentjük a fosszilis tüzelőanyagokra való támaszkodásunkat is, amelyek azt elsősorban előállítják. ‘Megpróbáljuk látni, hogy ha a CO2-vel kezdjük, mint szénforrással, nem pedig kőolajszénforrással, milyen kémiát tudunk csinálni, és milyen termékeket tudunk előállítani’ – mondja Feng Jiao, aki egy csoportot vezet, amely a Delaware-i Egyetem szénfelhasználásának elektrokémiai eszközeit kutatja.

az eljárás általában úgy működik, hogy koncentrált CO2 áramot vezet be egy elektrolízis cellába. A CO2 az elektróda felületén redukálódik, és az átvitt elektronok számától függően számos molekula állítható elő. Ezek a termékek az elektrolitban képződnek, majd egy elválasztó rendszerbe kerülnek, míg az elektrolitot és a nem reagált CO2-t újrahasznosítják. Gyakori termékek a szén-monoxid, a metán és a hangyasav. De bonyolultabb-és értékesebb-termékek, mint az etanol, sőt a propanol is lehetséges.

szén-dioxid-gazdaság

Jiao végzett mélyreható elemzést a gazdaság nagy léptékű CO2 electroreduction,1 és tavaly tanúskodott az amerikai szenátus energia bizottság a potenciális a technológia. A legfontosabb pénzügyi szempontok a befogott CO2 ára, az elektrolizátorok anyagai és élettartama, a termék tisztítása, és ami a legfontosabb, a folyamatot irányító villamos energia költsége. ‘A villamosenergia-költség valóban jelentős, a teljes üzemeltetési költség körülbelül 70% – a’ jegyzi meg Jiao. Ez azt jelenti, hogy mivel a megújuló forrásokból származó villamos energia költsége továbbra is csökken, a CO2 elektrokatalitikus átalakulása csábító kilátássá válik. A jelenlegi modellek azt sugallják, hogy a villamos energia ára kb 0.03 / kWh, a CO2 elektroredukció versenyképes módszerré válik számos olyan termék előállítására, amelyek gyakrabban származnak fosszilis tüzelőanyagokból. Ennek összefüggésében a szárazföldi szélerőmű-projektek már most is kevesebb mint 0,05 kWh-val termelnek villamos energiát, néhányuk pedig következetesen a 0,03-as célérték alatt van.

a CO2-csökkentés további előnye például a víz elektrolizálásával szemben a hidrogén előállításához, hogy a keletkező folyékony szénhidrogén Termékek készen állnak a meglévő energia-és közlekedési infrastruktúrákba történő betáplálásra. Jiao azt is megjegyzi, hogy bár az elektrolizátor-technológiákat jelenleg kis mennyiségben használják a laboratóriumban, természetüknél fogva skálázhatók és alkalmasak CO2-forrásokra, például erőművekre vagy vegyi üzemekre. ‘Úgy gondolom, hogy ez a technológia viszonylag rövid idő alatt megvalósítható’ – tette hozzá.

tehát a technológia valóban csökkentheti a globálisan felszabaduló CO2 mennyiségét? Jiao becslése szerint 1,5 billió wattra lenne szükség – ami a világ teljes energiatermelésének körülbelül 8% – ának felel meg-ahhoz, hogy az Egyesült Államok energiaszektora által kibocsátott CO2-t a legegyszerűbb termékekké alakítsák. Természetesen ez egy bonyolult probléma – biztosan nem lesz képes csak úgy elvenni az összes áramot és elvégezni ezt az átalakítást, mert más helyeken is szükség van elektromosságra-mondja. De Jiao ragaszkodik ahhoz, hogy a fosszilis tüzelőanyagok használatának abbahagyása, a megújuló villamos energia növekvő elérhetőségével párosulva, egyedülálló lehetőséget teremt az elektrokémiai rendszerek számára. ‘De ne felejtsük el, hogy az elektrokémiai CO2-átalakítás csak egy része a CO2-kibocsátás kérdésének kezelésének útjának’ – tette hozzá Jiao. Olyan jövőt jósol, ahol az elektrokatalitikus megközelítések egy sor technológia részeként működnek-beleértve a termokémiai és biológiai folyamatokat is-a károsanyag-kibocsátás kezelésére.

e jövőkép megvalósítása számos kérdésre megoldást fog találni. A folyamat vezetéséhez szükséges túlpotenciáloknak le kell esniük, így kevesebb villamos energiára van szükség a CO csökkentéséhez2. Az átalakítás hatékonyságának növelése szintén fontos – a rendszeren keresztül áramló CO2 nagyobb részét értékes tüzelőanyagokká és nyersanyagokká alakítja át. Ezeket nagy koncentrációban, minimális melléktermékekkel kell kialakítani, hogy csökkentsék a keverékek elválasztásának költségeit – mind pénzügyi, mind energetikai szempontból. És magukat a termékeket is fejleszteni kell – összetettebb és értékesebb vegyi anyagok létrehozásával a technológia gazdaságosabbá válik, nagyobb megtérüléssel. A legújabb előrelépések lépéseket tettek mindezen célok elérése érdekében, megerősítve Jiao azon nézetét, hogy ez a technológia a közeljövőben életképes lesz.

sok munka folyik most az előállítható molekulák kibővítésében. ‘A CO2 elektrolízis közösség legizgalmasabb anyagai valószínűleg réz alapú katalizátorok’ – magyarázza Jiao. Ez azért van, mert ezek szén–szén kötéseket hozhatnak létre – így C2 vagy akár C3 vegyületeket is előállíthatunk. Az etilén különösen vonzó, mivel számos vegyület előállítására használható, míg az etanol és a propanol üzemanyagként használható.

felületi hatások

a vezető megközelítések megkövetelik, hogy a CO2-t először CO-ra redukálják, amely ezután tovább reagálhat. A kétlépcsős folyamat tűnik a legvalószínűbb útnak az elektrolizátor technológiák számára. Egy nemrégiben készült jelentés azonban egy arany és réz tandem katalizátort mutatott be, amelyen az arany nanorészecskék magas Co-koncentrációt generálnak, amelyet a környező rézfólia tovább redukál alkoholokká, például etanolokká és n-propanollá.2 Ez a rendszer 100-szor szelektívebb a C2 termékek esetében, mint az egy széntartalmú termékek, például a metán vagy a metanol.

a katalizátor felületi szerkezete létfontosságú szerepet játszik. Egy réz nanorészecskékből álló elektróda texturált grafén alapú filmen kimutatták, hogy etanolt termel a CO2 szelektivitásában akár 84%-ban, másutt pedig a bór-adalékolt rézfelületek is kimutatták, hogy javítják a katalizátor stabilitását és a C2 termék generálását. Jiao csoportja a közelmúltban kimutatta, hogy a 2D nanolemezekben kitett rézfelület gondos kiválasztása elnyomhatja a közös melléktermékek képződését, miközben nagy sebességgel és szelektivitással acetátot termel.

Ted Sargent egy csoportot vezet a Torontói Egyetemen, amely széles körben vizsgálja azokat a szerepeket, amelyeket a hibák játszanak a katalizátor teljesítményében. Nemrégiben rézrészecskéket fejlesztettek ki speciálisan testreszabott nanokavitákkal, amelyek ösztönzik a propanol képződését.3 az üregek hatékonyan csapdába ejtik a C2 köztitermékeket, amelyek újabb szenet kényszerítenek rájuk. A rendszer propanol-szelektivitást ért el lényegesen magasabb, mint más korszerű katalizátorok. ‘Ez egy igazi előrelépés, lenyűgözően magas faradaic hatékonyság a C3 termékeknél, és egy fogantyút, egy kart mutat, amely a CO-csökkentést a három széntartalmú termékek felé irányítja’ – mondja Sargent. A csoport azt is kimutatta, hogy az adrészecskék – alacsony koordinációjú atomok klaszterei-elektróda felületekre történő bevezetése hasonlóan lenyűgöző eredményeket hozhat, és Sargent úgy véli, hogy a további fejlesztések lehetővé teszik a C4 és még hosszabb szénláncok előállítását a jövőben.

míg ezeknek a komplex termékeknek a gyártása egyértelmű előnyt jelent, az új innovációk javítják az elektrolizátor rendszerek hatékonyságát is. Különösen a gázdiffúziós elektródák oldják meg a co vizes elektrolitokban való alacsony oldhatósága által okozott problémákat, és lehetővé teszik a magasabb konverziós arányokat. Ezek az elektródák tartalmaznak egy porózus réteget, amelyen keresztül a gázt továbbítják, mielőtt elérnék a katalizátort. Sargent csoportja egy szénalapú gázdiffúziós rétegre lerakódott 100 nm vastag rézrétegből álló katalizátort mutatott be, amely lehetővé tette etilén előállítását CO2 70% – os szelektivitással.4 eközben a Jiao csapata porózus elektródákat használt egy olyan rendszerben,amely a co leggyorsabb jelentett elektroredukcióját kínálja a két szénatomszámú termékekhez. Azonban még ebben az esetben is csak a cellába belépő teljes CO 26% – a konvertálódik egyetlen lépésben.5

Gas guzzlers

lehetséges, hogy már létezik mérnöki megoldás az átalakítási problémára. Egy másik nemrégiben készült tanulmányban a Stanford Egyetem Matt Kanan vezette csapata az üzemanyagcella-iparban használt áramlási technológiát alkalmazta a gázdiffúzió javítására. A csapat interdigitált áramlási mezőt használt, hogy a lehető legtöbb gázt erőltesse az elektróda gázdiffúziós rétegébe egy CO-ból nátrium-acetátot előállító rendszerben.

‘az első dolog, amit tettünk, az volt, hogy valóban megpróbáltuk maximalizálni a CO szállítását a katalizátor felületére, és ezzel párhuzamosan a termékek kivonását a katalizátorból, magyarázza Kanan. ‘És a második nagy dolog, amit tettünk, az volt, hogy az elektróda és a cella többi része közötti interfésszel játszottunk, hogy valóban megpróbáljuk minimalizálni a folyékony elektrolit mennyiségét, hogy koncentrált folyékony termékáramokat állíthassunk elő’ – tette hozzá. A rendszer lenyűgöző 68% – os átalakulást ér el a cellába belépő CO-ban egyetlen menetben.

eltekintve attól, hogy a mindennapi folyamatokhoz üzemanyagot és alapanyagot gyártanak, ezek a CO2 elektrolizátorok egy nap még szélesebb körben is alkalmazhatók lehetnek. Kanan csoportja a Nasa-val dolgozik azon, hogy a CO2-t élelmiszerré és nyersanyaggá alakítsa a hosszú távú űrmissziók számára. ‘Együttműködésünk lényege, hogy a mikrobákat úgy lehet megtervezni, hogy szubsztrátumokat vegyenek fel, és mindenféle olyan dolgot előállítsanak, amelyek hasznosak az emberi élet fenntartásához, beleértve az ételt, a tápanyagokat és a vitaminokat’ – magyarázza Kanan. De bizonyos okok miatt nem igazán lehet fotoszintetikus organizmusokat használni, egyszerűen nem elég hatékony ahhoz, hogy fotoreakciót használjon az űrben.’

a mikrobák támogatása ilyen körülmények között Kanan csapata javasolja az űrhajósok által kilélegzett CO2 újrahasznosítását. Kiderült, hogy ha C2 szubsztrátot, különösen acetátot tudunk előállítani, számos mikroorganizmus létezik, amelyek nem csak növekedhetnek, hanem szén-és energiaforrásként használhatják az acetátot a bioszintézishez és mindenféle hasznos dolog előállításához-mondja Kanan.

bár ezek az előrelépések ígéretesek, még mindig van tennivaló. A legnagyobb gond az, hogy a legtöbb új kutatás csak a sejt azon oldalának hatékonyságára összpontosít, ahol a redukció zajlik. Közösségként el kell kezdenünk vizsgálni a teljes energiaátalakítási hatékonyságot, mert a techno-gazdasági modelljeink azt mutatják, hogy ennek meg kell haladnia az 50% – ot, és a legtöbb eszköz, amelyről beszámoltunk, a 20-30% – os tartományban van-és ezek a legjobbak.- mondja Sargent. A maximális szelektivitás elérésére szolgáló megközelítések kidolgozása nagy áramok, de minimális feszültség esetén továbbra is kiemelt prioritás.’

a rendszerek nagyobb méretekben történő megtervezésének és tartósságának bemutatása szintén jelentős kihívást jelent. Jiao gazdasági modellje figyelembe veszi a kereskedelmi CO2-csökkentő rendszereket, amelyek élettartama 20 év. ‘De a laboratóriumban alig tudunk tesztelni egy hetet – tehát jelentős különbség van ott-mondja.

kétségtelen, hogy még mindig vannak akadályok, amelyeket le kell küzdeni, mielőtt ezt a technológiát méretarányosan alkalmazni lehetne, de a tiszta villamos energia felhasználása a CO2 tüzelőanyagokká és nyersanyagokká történő átalakításához, amelyek gyorsan integrálhatók a meglévő infrastruktúrába, fontos és elérhető cél. A terület nagy érdeklődést kelt az egyetemek, az induló vállalkozások és a kormányzati szervek körében, és a következő néhány évben a fejlesztés kulcsfontosságú lesz, ha a technológia segít megmenteni minket önmagunktól.