cataliza ne poate salva de problema noastră de CO2?

planeta Pământ are o problemă cu dioxidul de carbon. Zilnic, auzim despre emisiile de CO2 care contribuie la creșterea temperaturilor globale și la schimbările climatice fără precedent. Activitățile umane pompează aproximativ 37,1 miliarde de tone de CO2 în aer în fiecare an, aproape 80% din acestea provenind direct din combustibili fosili. În timp ce emisiile sunt în scădere în unele economii avansate, tendința globală de creștere a emisiilor arată puține semne de încetinire – de fapt, 2019 este de așteptat să înregistreze una dintre cele mai mari creșteri ale nivelului de CO2 atmosferic de când au început înregistrările . Dacă situația continuă, șansele de a atinge obiectivele din Acordul de la Paris vor scădea la nimic, iar spectrul haosului climatic ireversibil va deveni o realitate terifiantă.

oamenii de știință din întreaga lume lucrează la modalități de a rezolva această problemă – inclusiv captarea CO2 produs de activitățile umanității. Dar odată capturat, cum putem pune CO2 format ca produs secundar al atâtor procese la o bună utilizare? Unii spun că o depozitează sub pământ, alții sugerează că ar trebui să o tratăm ca pe o resursă valoroasă care nu ar trebui aruncată. Companiile comercializează deja tehnologii care transformă CO2 captat în materiale de construcție, îngrășăminte și chiar materiale plastice. O altă propunere este utilizarea directă a gazului pentru recuperarea îmbunătățită a petrolului, deși acreditările verzi ale acestei opțiuni sunt îndoielnice.

un domeniu de cercetare din ce în ce mai activ își propune să valorifice energia electrică regenerabilă pentru a transforma CO2 nedorit în substanțe chimice valoroase. Transformarea CO2 în combustibili și materii prime nu numai că transformă un produs rezidual poluant în ceva util, dar reduce și dependența noastră de combustibilii fosili care îl generează în primul rând. ‘Încercăm să vedem, dacă începem cu CO2 ca sursă de carbon, mai degrabă decât o sursă de carbon din petrol, ce fel de chimie putem face și ce fel de produse putem face’, spune Feng Jiao, care conduce un grup de cercetare dispozitive electrochimice pentru utilizarea carbonului la Universitatea din Delaware.

procesul funcționează în general prin alimentarea unui flux concentrat de CO2 într-o celulă de electroliză. CO2 este redus pe suprafața unui electrod și, în funcție de numărul de electroni transferați, se poate realiza o serie de molecule. Aceste produse sunt formate în electrolit și apoi alimentate într-un sistem de separare, în timp ce electrolitul și CO2 nereacționat sunt reciclate. Produsele obișnuite sunt monoxidul de carbon, metanul și acidul formic. Dar sunt posibile produse mai complexe – și valoroase – precum etanolul și chiar propanolul.

economia carbonului

Jiao a efectuat o analiză aprofundată a economiei electroreducției CO2 la scară largă,1 și anul trecut a mărturisit unui comitet energetic al Senatului SUA despre potențialul tehnologiei. Considerațiile financiare cheie sunt prețul CO2 capturat, materialele electrolizoarelor și durata lor de viață, purificarea produsului și, în mod crucial, costul energiei electrice care conduce procesul. ‘Costul energiei electrice este cu adevărat semnificativ, este de aproximativ 70% din costul total de operare’, notează Jiao. Aceasta înseamnă că, pe măsură ce costul energiei electrice din surse regenerabile continuă să scadă, conversia electrocatalitică a CO2 devine o perspectivă tentantă. Modelele actuale sugerează că, la un preț de energie electrică de la 0 la 0.03 / kWh, electroreducția CO2 devine o modalitate competitivă de a produce mai multe produse derivate mai frecvent din surse de combustibili fosili. Pentru a pune acest lucru în context, proiectele eoliene onshore produc deja energie electrică la o valoare mai mică de 0,05% pe kWh, unele fiind în mod constant sub ținta de 0,03%.

un beneficiu suplimentar al reducerii CO2, de exemplu, față de electroliza apei pentru a produce hidrogen, este că produsele de hidrocarburi lichide generate sunt gata să se alimenteze în infrastructurile energetice și de transport existente. Jiao observă, de asemenea, că, în timp ce tehnologiile de electroliză sunt utilizate în prezent la scară mică în laborator, acestea sunt în mod inerent scalabile și potrivite pentru surse de CO2, cum ar fi centralele electrice sau centralele chimice. ‘Cred că această tehnologie poate fi implementată într-o perioadă relativ scurtă de timp’, adaugă el.

deci, tehnologia poate face într-adevăr o adâncitură în cantitățile de CO2 eliberate la nivel global? Jiao estimează că ar fi nevoie de 1,5 trilioane de wați – echivalentul a aproximativ 8% din producția totală de energie a lumii – pentru a transforma CO2 eliberat doar de sectorul energetic american în cele mai simple produse. ‘Desigur, aceasta este o problemă complicată – cu siguranță nu veți putea să luați toată energia electrică și să faceți această conversie, deoarece alte locuri au nevoie de energie electrică’, spune el. Dar Jiao este de neclintit că necesitatea de a opri utilizarea combustibililor fosili, împreună cu disponibilitatea tot mai mare de energie electrică din surse regenerabile, va crea o oportunitate unică pentru sistemele electrochimice. ‘Dar nu uitați, conversia electrochimică a CO2 este doar o parte a căii de abordare a problemei emisiilor de CO2’, adaugă Jiao. El prezice un viitor în care abordările electrocatalitice acționează ca parte a unei suite de tehnologii – inclusiv procese termochimice și biologice – pentru a aborda problemele noastre de emisii.

realizarea acestei viziuni va însemna găsirea de soluții la o serie de probleme. Potențialul necesar pentru a conduce procesul trebuie să scadă, astfel încât este nevoie de mai puțină energie electrică pentru a reduce CO2. Creșterea eficienței conversiei este, de asemenea, importantă – transformarea unei cantități mai mari de CO2 care curge prin sistem în combustibili și materii prime valoroase. Acestea trebuie formate la concentrații mari cu produse secundare minime, pentru a reduce costurile-atât financiare, cât și energetice – ale amestecurilor de separare. Și produsele în sine trebuie îmbunătățite – prin crearea de substanțe chimice mai complexe și mai valoroase, tehnologia devine mai economică, cu o rentabilitate mai mare a investiției. Progresele recente au făcut progrese în toate aceste obiective, consolidând opinia lui Jiao că această tehnologie va fi viabilă în viitorul apropiat.

o mare parte din muncă se îndreaptă acum spre extinderea tipurilor de molecule pe care le puteți face. ‘Cele mai interesante materiale pentru comunitatea de electroliză CO2 sunt probabil catalizatorii pe bază de cupru’, explică Jiao. Asta pentru că acestea pot face legături carbon-carbon – astfel încât să puteți face compuși C2 sau chiar C3. Etilena este deosebit de atractivă, deoarece poate fi utilizată pentru a produce o gamă largă de compuși, în timp ce etanolul și propanolul pot fi utilizate ca combustibili.

efecte de suprafață

abordările principale necesită reducerea mai întâi a CO2 la CO, care poate reacționa apoi în continuare. Un proces în doi pași pare cea mai probabilă cale de urmat pentru tehnologiile de electroliză. Cu toate acestea, un raport recent a demonstrat un catalizator tandem de aur și cupru pe care nanoparticulele de aur generează o concentrație ridicată de CO, care este apoi redusă în continuare la alcooli precum etanolul și n-propanolul printr-o folie de cupru înconjurătoare.2 acest sistem este de 100 de ori mai selectiv pentru produsele C2 decât produsele cu un singur carbon, cum ar fi metanul sau metanolul.

structura suprafeței catalizatorului joacă un rol vital. S-a demonstrat că un electrod format din nanoparticule de cupru pe o peliculă pe bază de grafen texturat generează etanol din CO2 în selectivități de până la 84% și în alte părți, suprafețele de cupru dopate cu bor au fost, de asemenea, demonstrate pentru a îmbunătăți stabilitatea catalizatorului și generarea de produse C2. Grupul lui Jiao a arătat recent că o selecție atentă a suprafeței de cupru expuse în nanosheets 2D poate suprima formarea de subproduse comune în timp ce generează acetat la rate și selectivități ridicate.

Ted Sargent conduce un grup de la Universitatea din Toronto care a investigat pe larg rolurile pe care defectele le joacă în performanța catalyst. Ei au dezvoltat recent particule de cupru cu nanocavități special adaptate care încurajează formarea propanolului.3 cavitățile captează efectiv intermediarii C2 forțând un alt carbon asupra lor. Sistemul a obținut selectivități de propanol semnificativ mai mari decât alți catalizatori de ultimă generație. ‘Acesta este un progres real, este o eficiență faradaică impresionant de mare pentru produsele C3 și arată un mâner, pârghia care indică reducerea CO către produse cu trei carbonuri’, spune Sargent. Grupul a arătat, de asemenea, că introducerea adparticulelor – grupuri de atomi cu coordonate reduse-pe suprafețele electrodului poate oferi rezultate la fel de impresionante, iar Sargent consideră că evoluțiile ulterioare vor permite producerea de C4 și chiar lanțuri de carbon mai lungi în viitor.

în timp ce capacitatea de a face aceste produse complexe este un avantaj clar, noile inovații îmbunătățesc, de asemenea, eficiența sistemelor de electroliză. În special, electrozii de difuzie a gazelor depășesc problemele ridicate de solubilitatea scăzută a CO în electroliții apoși și permit rate de conversie mai mari. Acești electrozi încorporează un strat poros prin care gazul este trimis înainte de a ajunge la catalizator. Grupul lui Sargent a demonstrat un catalizator format dintr-un strat de cupru gros de 100nm depus pe un strat de difuzie a gazului pe bază de carbon care a permis producerea de etilenă din CO2 cu selectivitate de 70%.4 Între timp, echipa lui Jiao a folosit electrozi poroși într-un sistem care oferă cea mai rapidă electroreducție raportată a CO la produsele cu doi atomi de carbon lungi și nu numai. Cu toate acestea, chiar și în acest caz, doar 26% din totalul CO care intră în celulă este convertit într-o singură trecere.5

Gas guzzlers

o soluție de inginerie la problema de conversie ar putea exista deja. Într-un alt studiu recent, o echipă condusă de Matt Kanan de la Universitatea Stanford a refăcut tehnologia de curgere utilizată în industria celulelor de combustibil pentru a îmbunătăți difuzia gazelor. Echipa a folosit un câmp de curgere interdigitat pentru a forța cât mai mult gaz posibil în stratul de difuzie a gazului electrodului într-un sistem care produce acetat de sodiu din CO.

‘primul lucru pe care l-am făcut a fost să încercăm să maximizăm transportul CO la suprafața catalizatorului și simultan extragerea produselor din catalizator înapoi’, explică Kanan. Apoi, al doilea lucru important pe care l-am făcut a fost să ne jucăm cu interfața dintre electrod și restul celulei pentru a încerca să minimizăm cantitatea de electrolit lichid, astfel încât să putem produce fluxuri concentrate de produse lichide. Sistemul realizează o conversie impresionantă de 68% A CO care intră în celulă într-o singură trecere.

în afară de producerea de combustibili și materii prime pentru procesele de zi cu zi, aceste electrolizoare CO2 ar putea avea într-o zi aplicații mai departe. Grupul lui Kanan lucrează cu Nasa pentru a transforma CO2 în alimente și materii prime pentru misiuni spațiale pe termen lung. ‘Esența colaborării noastre este că puteți crea microbi pentru a lua substraturi și pentru a produce tot felul de lucruri care sunt utile pentru susținerea vieții umane, inclusiv alimente, nutrienți și vitamine’, explică Kanan. Dar, din anumite motive, nu poți folosi cu adevărat organisme fotosintetice, pur și simplu nu este suficient de eficient să folosești o fotoreacție în spațiu.’

pentru a sprijini microbii în aceste condiții, echipa lui Kanan propune reciclarea CO2 respirat de astronauți. Se pare că dacă poți face un substrat C2, în special acetat, există un număr de microorganisme care nu numai că pot crește, dar pot folosi acetat ca sursă de carbon și energie pentru biosinteză și pentru a face tot felul de lucruri utile, spune Kanan.

în timp ce aceste progrese sunt promițătoare, mai sunt încă multe de făcut. O preocupare majoră este că majoritatea cercetărilor noi se concentrează doar pe eficiența din partea celulei în care are loc reducerea. Ca Comunitate, trebuie să începem să analizăm eficiența globală a conversiei energiei, deoarece modelele noastre Tehno-economice arată că trebuie să depășească 50% și majoritatea dispozitivelor pe care le raportăm sunt în intervalul 20-30% – și acestea sunt cele mai bune. spune Sargent. ‘Conceperea abordărilor pentru a obține selectivitate maximă în curenți mari, dar în tensiune minimă, rămâne o prioritate ridicată.’

prezentarea modului în care sistemele pot fi apoi proiectate pe scări mai mari și demonstrarea durabilității va fi, de asemenea, o provocare considerabilă. Modelul economic al Jiao ia în considerare sistemele comerciale de reducere a CO2 cu o durată de viață de 20 de ani. ‘Dar în laborator abia putem testa o săptămână-deci există un decalaj semnificativ acolo’, spune el.

fără îndoială, există încă obstacole de depășit înainte ca această tehnologie să poată fi utilizată la scară largă, dar utilizarea energiei electrice curate pentru a transforma CO2 în combustibili și materii prime care pot fi integrate rapid cu infrastructura existentă este un obiectiv important și realizabil. Domeniul atrage un interes major din partea mediului academic, start-up-uri și agenții guvernamentale, iar dezvoltarea în următorii câțiva ani va fi crucială dacă tehnologia ne va ajuta să ne salvăm de noi înșine.