czy kataliza uratuje nas przed problemem CO2?

Planeta Ziemia ma problem z dwutlenkiem węgla. Codziennie słyszymy o emisji CO2 przyczyniającej się do wzrostu globalnych temperatur i bezprecedensowych zmian klimatycznych. Szacuje się, że każdego roku działalność człowieka wypompowuje do powietrza około 37,1 mld ton CO2, z czego prawie 80% pochodzi bezpośrednio z paliw kopalnych. Podczas gdy emisje spadają w niektórych zaawansowanych gospodarkach, globalny trend zwiększania emisji nie wykazuje oznak spowolnienia – w rzeczywistości oczekuje się, że 2019 będzie jednym z największych wzrostów poziomu CO2 w atmosferze od czasu rozpoczęcia zapisów . Jeśli sytuacja się utrzyma, szanse na osiągnięcie celów Porozumienia Paryskiego znikną do zera, a widmo nieodwracalnego chaosu klimatycznego stanie się przerażającą rzeczywistością.

naukowcy na całym świecie pracują nad sposobami rozwiązania tego problemu-w tym nad wychwytywaniem CO2 wytwarzanego przez działania ludzkości. Ale po wychwyceniu, jak możemy dobrze wykorzystać CO2 powstający jako produkt uboczny tak wielu procesów? Niektórzy mówią, że przechowują go pod ziemią, inni sugerują, że powinniśmy traktować go jako cenny zasób, którego nie należy wyrzucać. Firmy już teraz komercjalizują technologie, które przekształcają wychwycony CO2 w materiały budowlane, nawozy, a nawet Tworzywa sztuczne. Inną propozycją jest bezpośrednie wykorzystanie gazu w celu zwiększenia wydobycia ropy naftowej, chociaż zielone poświadczenia tego wariantu są wątpliwe.

jeden z coraz bardziej aktywnych obszarów badań ma na celu wykorzystanie odnawialnej energii elektrycznej, aby zamienić niepożądany CO2 w cenne chemikalia. Przekształcanie CO2 w paliwa i surowce nie tylko zmienia zanieczyszczający produkt odpadowy w coś użytecznego, ale także zmniejsza nasze uzależnienie od paliw kopalnych, które go wytwarzają. “Staramy się sprawdzić, czy jeśli zaczniemy od CO2 jako źródła węgla, a nie źródła węgla naftowego, jaki rodzaj chemii możemy zrobić i jakie produkty możemy wytwarzać”, mówi Feng Jiao, który prowadzi grupę badającą urządzenia elektrochemiczne do wykorzystania węgla na Uniwersytecie w Delaware.

proces zazwyczaj działa poprzez podawanie skoncentrowanego strumienia CO2 do ogniwa elektrolizy. CO2 zmniejsza się na powierzchni elektrody i, w zależności od liczby przenoszonych elektronów, można wytwarzać szereg cząsteczek. Produkty te są formowane w elektrolicie, a następnie podawane do systemu separacji, podczas gdy elektrolit i niezreaktywowany CO2 są poddawane recyklingowi. Typowe produkty to tlenek węgla, metan i kwas mrówkowy. Możliwe są jednak bardziej złożone i wartościowe produkty, takie jak etanol, a nawet propanol.

gospodarka węglowa

Jiao przeprowadził dogłębną analizę ekonomii elektroredukcji CO2 na dużą skalę,1 i w zeszłym roku zeznał przed komisją ds. energii Senatu Stanów Zjednoczonych o potencjale technologii. Kluczowe względy finansowe to cena wychwyconego CO2, materiały elektrolizerów i ich żywotność,oczyszczanie produktu oraz, co najważniejsze, koszt energii elektrycznej, która napędza proces. “Koszt energii elektrycznej jest naprawdę znaczny, to około 70% całkowitego kosztu eksploatacji”, zauważa Jiao. Oznacza to, że wraz ze spadkiem kosztów energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych, elektrokatalityczna konwersja CO2 staje się kuszącą perspektywą. Obecne modele sugerują, że w cenie energii elektrycznej £0.03 / kWh, elektroredukcja CO2 staje się konkurencyjnym sposobem wytwarzania kilku produktów częściej pochodzących ze źródeł paliw kopalnych. Aby to ująć w kontekście, lądowe projekty wiatrowe wytwarzają już energię elektryczną za mniej niż 0,05 GBP za kWh, a niektóre konsekwentnie poniżej celu 0,03 GBP.

dodatkową korzyścią z redukcji CO2 w stosunku do, na przykład, elektrolizowania wody w celu wytworzenia wodoru, jest to, że wytworzone płynne produkty węglowodorowe są gotowe do wykorzystania w istniejącej infrastrukturze energetycznej i transportowej. Jiao zauważa również, że chociaż technologie elektrolizerów są obecnie stosowane na małą skalę w laboratorium, są one z natury skalowalne i odpowiednie dla źródeł CO2, takich jak elektrownie lub zakłady chemiczne. “Uważam, że tę technologię można wdrożyć w stosunkowo krótkim czasie” – dodaje.

czy technologia naprawdę może zmniejszyć ilość CO2 uwalnianego na całym świecie? Jiao szacuje, że potrzeba 1,5 biliona watów – co odpowiada około 8% całkowitej produkcji energii na świecie – aby przekształcić CO2 uwalniany przez amerykański sektor energetyczny w najprostsze produkty. “Oczywiście, jest to skomplikowany problem-na pewno nie będziesz w stanie po prostu wziąć całej elektryczności i wykonać tej konwersji, ponieważ inne miejsca potrzebują elektryczności”, mówi. Ale Jiao jest stanowcze, że konieczność zaprzestania wykorzystywania paliw kopalnych, w połączeniu z rosnącą dostępnością odnawialnej energii elektrycznej, stworzy wyjątkową szansę dla Systemów elektrochemicznych. “Ale nie zapominaj, że elektrochemiczna konwersja CO2 jest tylko częścią ścieżki rozwiązania problemu emisji CO2”, dodaje Jiao. Przewiduje przyszłość, w której podejścia elektrokatalityczne działają jako część zestawu technologii-w tym procesów termochemicznych i biologicznych – w celu rozwiązania problemów związanych z emisjami.

realizacja tej wizji będzie oznaczać znalezienie rozwiązań dla wielu problemów. Nadpotencjały wymagane do napędzania procesu muszą spaść, tak że potrzeba mniej energii elektrycznej, aby zmniejszyć emisję CO2. Ważne jest również zwiększenie wydajności konwersji-przekształcenie większej ilości CO2 przepływającego przez system w cenne paliwa i surowce. Należy je tworzyć w wysokich stężeniach przy minimalnych produktach ubocznych, aby obniżyć koszty-zarówno finansowe, jak i energetyczne – oddzielania mieszanek. A same produkty muszą zostać ulepszone – tworząc bardziej złożone i cenniejsze chemikalia, technologia staje się bardziej ekonomiczna, z większym zwrotem z inwestycji. Ostatnie postępy poczyniły postępy we wszystkich tych celach, wzmacniając pogląd Jiao, że ta technologia będzie opłacalna w najbliższej przyszłości.

wiele pracy jest teraz w rozszerzaniu rodzajów cząsteczek, które można zrobić. “Najbardziej ekscytującymi materiałami dla społeczności elektrolizy CO2 są prawdopodobnie katalizatory na bazie miedzi”, wyjaśnia Jiao. To dlatego, że mogą tworzyć wiązania węgiel-węgiel, więc można tworzyć związki C2 lub nawet C3.”Etylen jest szczególnie atrakcyjny, ponieważ może być stosowany do produkcji szerokiej gamy związków, podczas gdy etanol i propanol mogą być stosowane jako paliwa.

efekty powierzchniowe

wiodące podejścia wymagają najpierw redukcji CO2 DO CO, które może następnie reagować dalej. Dwuetapowy proces wydaje się najbardziej prawdopodobnym sposobem na rozwój technologii elektrolizerowych. Jednak jeden z ostatnich raportów wykazał złoty i miedziany katalizator tandemowy, na którym nanocząstki złota generują wysokie stężenie CO, które jest następnie dalej redukowane do alkoholi, takich jak etanol i N-propanol przez otaczającą folię miedzianą.2 system ten jest 100 razy bardziej selektywny dla produktów C2 niż produkty pojedynczego węgla, takie jak metan lub metanol.

struktura powierzchni katalizatora odgrywa istotną rolę. Wykazano, że elektroda składająca się z nanocząstek miedzi na teksturowanej folii na bazie grafenu generuje Etanol z CO2 w selektywności tak wysokiej jak 84%, a gdzie indziej, powierzchnie miedzi z domieszką boru pokazano również w celu poprawy stabilności katalizatora i generowania produktu C2. Grupa Jiao niedawno wykazała, że staranny dobór powierzchni miedzi odsłoniętej w NANOSHEETS 2D może tłumić tworzenie wspólnych produktów ubocznych podczas wytwarzania octanu w wysokich szybkościach i selektywności.

Ted Sargent prowadzi grupę na Uniwersytecie w Toronto, która intensywnie bada rolę, jaką defekty odgrywają w działaniu katalizatora. Niedawno opracowali cząsteczki miedzi o specjalnie dostosowanych nanocząstkach, które zachęcają do tworzenia propanolu.3 wnęki skutecznie zatrzymują półprodukty C2, zmuszając do nich inny węgiel. System uzyskał selektywność propanolu znacznie wyższą niż inne najnowocześniejsze katalizatory. “To prawdziwy postęp, imponująco wysoka wydajność faradaiczna dla produktów C3 i pokazuje uchwyt, dźwignię, która wskazuje redukcję CO w kierunku produktów z trzema węglami”, mówi Sargent. Grupa pokazała również, że wprowadzenie adparticles-klastrów nisko skoordynowanych atomów-na powierzchnie elektrod może zapewnić równie imponujące wyniki i Sargent wierzy, że dalszy rozwój umożliwi produkcję C4, a nawet dłuższych łańcuchów węglowych w przyszłości.

chociaż możliwość wytwarzania tych złożonych produktów jest wyraźną zaletą, nowe innowacje poprawiają również wydajność systemów elektrolizera. W szczególności elektrody dyfuzyjne gazu przezwyciężają problemy związane z niską rozpuszczalnością CO w wodnych elektrolitach i umożliwiają wyższe współczynniki konwersji. Elektrody te zawierają porowatą warstwę, przez którą gaz jest przesyłany przed dotarciem do katalizatora. Grupa Sargenta wykazała katalizator utworzony z warstwy miedzi o grubości 100 nm osadzonej na węglowej warstwie dyfuzyjnej gazu, która umożliwiła produkcję etylenu z CO2 z 70% selektywnością.4 tymczasem zespół Jiao użył porowatych elektrod w systemie, który oferuje najszybszą zgłoszoną elektroredukcję CO do produktów o dwóch węglach długich i poza nimi. Jednak nawet w tym przypadku tylko 26% całkowitego CO wchodzącego do komórki jest konwertowane w jednym przejściu.5

Gas guzzlers

inżynierskie rozwiązanie problemu konwersji może już istnieć. W innym niedawnym badaniu zespół kierowany przez Matta Kanana z Uniwersytetu Stanforda przerobił technologię przepływu stosowaną w przemyśle ogniw paliwowych w celu poprawy dyfuzji gazu. Zespół użył międzywymiarowego pola przepływu, aby zmusić jak najwięcej gazu do warstwy dyfuzyjnej gazu elektrody w systemie produkującym octan sodu z CO.

‘pierwszą rzeczą, jaką zrobiliśmy, było zmaksymalizowanie transportu CO na powierzchnię katalizatora i jednoczesne wydobycie produktów z katalizatora”, wyjaśnia Kanan. “Drugą ważną rzeczą, jaką zrobiliśmy, było wykorzystanie interfejsu między elektrodą a resztą ogniwa, aby naprawdę spróbować zminimalizować ilość ciekłego elektrolitu, abyśmy mogli wytwarzać skoncentrowane strumienie ciekłych produktów”, dodaje. System osiąga imponującą 68% konwersję CO wchodzącego do komórki w jednym przejściu.

oprócz wytwarzania paliw i surowców do codziennych procesów, te elektrolizery CO2 mogą pewnego dnia mieć zastosowanie dalej. Grupa Kanana współpracuje z Nasa, aby przekształcić CO2 w żywność i surowce do długoterminowych misji kosmicznych. “Sedno naszej współpracy polega na tym, że można zaprojektować mikroby do pobierania substratów i produkcji wszelkiego rodzaju rzeczy, które są przydatne do podtrzymywania życia ludzkiego, w tym żywności, składników odżywczych i witamin”, wyjaśnia Kanan. Ale z pewnych powodów nie można używać organizmów fotosyntetycznych, po prostu nie jest wystarczająco wydajny, aby użyć fotoreakcji w przestrzeni.”

aby wspierać mikroby w tych warunkach, zespół Kanana proponuje recykling CO2 wydychanego przez astronautów. “Okazuje się, że jeśli można wytworzyć substrat C2, w szczególności octan, istnieje wiele mikroorganizmów, które mogą nie tylko rosnąć, ale mogą używać octanu jako źródła węgla i energii do biosyntezy i do wytwarzania wszelkiego rodzaju przydatnych rzeczy”, mówi Kanan.

chociaż te postępy są obiecujące, jest jeszcze Praca do zrobienia. Głównym zmartwieniem jest to, że większość nowych badań koncentruje się tylko na wydajności po stronie komórki, w której ma miejsce redukcja. “Jako społeczność musimy zacząć przyglądać się ogólnej wydajności konwersji energii, ponieważ nasze modele techno-ekonomiczne pokazują, że potrzeba tego, aby przekroczyć 50%, a większość urządzeń, które zgłaszamy, mieści się w zakresie 20-30% – a te są najlepsze.- mówi Sargent. “Opracowywanie podejść do osiągnięcia maksymalnej selektywności przy wysokich prądach, ale przy minimalnym napięciu, pozostaje priorytetem.”

pokazanie, w jaki sposób można następnie zaprojektować systemy na większą skalę i wykazanie trwałości będzie również sporym wyzwaniem. Model ekonomiczny Jiao uwzględnia komercyjne systemy redukcji CO2 o żywotności 20 lat. “Ale w laboratorium ledwo możemy przetestować tydzień – więc jest tam znaczna Luka”, mówi.

niewątpliwie nadal istnieją przeszkody do pokonania, zanim ta technologia będzie mogła zostać wykorzystana na dużą skalę, ale wykorzystanie czystej energii elektrycznej do przekształcania CO2 W paliwa i surowce, które można szybko zintegrować z istniejącą infrastrukturą, jest ważnym i osiągalnym celem. Dziedzina ta przyciąga duże zainteresowanie ze strony środowisk akademickich, start-upów i agencji rządowych, a rozwój w ciągu najbliższych kilku lat będzie kluczowy, jeśli technologia ma pomóc nam uratować przed nami samymi.