Nowy katalizator wykonany z niedrogiego, powszechnie występującego metalu i zwykłego cukru stołowego ma zdolność niszczenia gazowego dwutlenku węgla (CO2).
W nowym badaniu przeprowadzonym na Northwestern University katalizator skutecznie przekształcił CO2 w tlenek węgla (CO), ważny element budulcowy umożliwiający produkcję szeregu przydatnych substancji chemicznych. Gdy reakcja zachodzi w obecności wodoru, na przykład CO2 i wodór przekształcają się w gaz syntezowy (lub gaz syntezowy), bardzo cenny prekursor do produkcji paliw, które mogą potencjalnie zastąpić benzynę.
Dzięki niedawnym postępom w technologiach wychwytywania dwutlenku węgla wychwytywanie dwutlenku węgla po spalaniu staje się realną opcją pomocną w walce z globalnym kryzysem związanym ze zmianą klimatu. Jednak sposób postępowania z wychwyconym węglem pozostaje pytaniem otwartym. Nowy katalizator mógłby potencjalnie zapewnić jedno rozwiązanie w zakresie usuwania silnego gazu cieplarnianego poprzez przekształcanie go w bardziej wartościowy produkt.
Wyniki badania zostaną opublikowane w wydaniu czasopisma Science z 3 maja.
„Nawet gdybyśmy teraz przestali emitować CO2, w naszej atmosferze nadal występowałby nadmiar CO2 w wyniku działalności przemysłowej prowadzonej w poprzednich stuleciach” – stwierdziła Milad Khoshooei z Northwestern, która współprowadziła badanie. „Nie ma jednego rozwiązania tego problemu. Musimy ograniczyć emisję CO2 i znaleźć nowe sposoby na zmniejszenie stężenia CO2, które już jest w atmosferze. Powinniśmy wykorzystywać wszystkie możliwe rozwiązania”.
„Nie jesteśmy pierwszą grupą badawczą, która przekształca CO2 w inny produkt” – powiedział Omar K. Farha z Northwestern, starszy autor badania. „Aby jednak proces był naprawdę praktyczny, niezbędny jest katalizator spełniający kilka kluczowych kryteriów: przystępność cenowa, stabilność, łatwość produkcji i skalowalność. Kluczem jest zrównoważenie tych czterech elementów. Na szczęście nasz materiał doskonale spełnia te wymagania”.
Ekspert w dziedzinie technologii wychwytywania dwutlenku węgla, Farha jest profesorem chemii Charlesa E. i Emmy H. Morrisonów w Weinberg College of Arts and Sciences w Northwestern. Po rozpoczęciu tej pracy jako doktorant. Kandydat na Uniwersytecie Calgary w Kanadzie, Khoshooei jest obecnie stażystą podoktorskim w laboratorium Farha.
Rozwiązania ze spiżarni
Sekretem nowego katalizatora jest węglik molibdenu, niezwykle twardy materiał ceramiczny. W przeciwieństwie do wielu innych katalizatorów wymagających drogich metali, takich jak platyna czy pallad, molibden jest niedrogim, nieszlachetnym metalem występującym w dużych ilościach w Ziemi.
Aby przekształcić molibden w węglik molibdenu, naukowcy potrzebowali źródła węgla. Odkryli tanią opcję w nieoczekiwanym miejscu: spiżarni. Co zaskakujące, cukier – biały, granulowany rodzaj, który można znaleźć w prawie każdym gospodarstwie domowym – służył jako niedrogie i wygodne źródło atomów węgla.
„Każdego dnia, gdy próbowałem zsyntetyzować te materiały, przynosiłem do laboratorium cukier z mojego domu” – powiedział Khoshooei. „W porównaniu z innymi klasami materiałów powszechnie stosowanych w katalizatorach, nasz jest niewiarygodnie niedrogi”.
Skutecznie selektywny i stabilny
Podczas testowania katalizatora Farha, Khoshooei i ich współpracownicy byli pod wrażeniem jego sukcesu. Działając pod ciśnieniem otoczenia i w wysokich temperaturach (300–600 stopni Celsjusza), katalizator przekształca CO2 w CO ze 100% selektywnością.
Wysoka selektywność oznacza, że katalizator oddziałuje wyłącznie na CO2, nie zakłócając otaczających materiałów. Innymi słowy, przemysł mógłby zastosować katalizator do dużych ilości wychwyconych gazów i selektywnie kierować wyłącznie CO2. Katalizator również pozostawał stabilny w czasie, co oznacza, że pozostawał aktywny i nie ulegał degradacji.
„W chemii nierzadko zdarza się, że katalizator traci swoją selektywność po kilku godzinach” – powiedział Farha. „Ale po 500 godzinach w trudnych warunkach jego selektywność nie uległa zmianie”.
Jest to szczególnie niezwykłe, ponieważ CO2 jest stabilną – i upartą – cząsteczką.
„Przetwarzanie CO2 nie jest łatwe” – powiedział Khoshooei. „CO2 jest cząsteczką stabilną chemicznie i musieliśmy przezwyciężyć tę stabilność, co wymaga dużo energii”.
Tandemowe podejście do oczyszczania dwutlenku węgla
Laboratorium Farha koncentruje się głównie na opracowywaniu materiałów do wychwytywania dwutlenku węgla. Jego grupa opracowuje struktury metaloorganiczne (MOF), klasę wysoce porowatych materiałów o wielkości nano, które Farha porównuje do „wyrafinowanych i programowalnych gąbek kąpielowych”. Farha bada MOF pod kątem różnorodnych zastosowań, w tym pobierania CO2 bezpośrednio z powietrza.
Farha twierdzi, że MOF i nowy katalizator mogłyby współpracować, aby odegrać rolę w wychwytywaniu i sekwestracji dwutlenku węgla.
„W pewnym momencie moglibyśmy zastosować MOF do wychwytywania CO2, a następnie zastosować katalizator przekształcający go w coś bardziej korzystnego” – zasugerowała Farha. „System tandemowy wykorzystujący dwa różne materiały w dwóch kolejnych etapach mógłby być rozwiązaniem”.
„To mogłoby pomóc nam odpowiedzieć na pytanie: «Co zrobić z wychwyconym CO2?»” – dodał Khoshooei. „W tej chwili planujemy jego sekwestrację pod ziemią. Jednak podziemne zbiorniki muszą spełniać wiele wymagań, aby bezpiecznie i trwale magazynować CO2. Chcieliśmy zaprojektować bardziej uniwersalne rozwiązanie, które można zastosować w dowolnym miejscu, a jednocześnie dodać wartość ekonomiczną”.
Badanie pt. „Aktywny, stabilny sześcienny katalizator z węglika molibdenu do wysokotemperaturowej odwrotnej reakcji przemiany woda-gaz” zostało wsparte przez Departament Energii Stanów Zjednoczonych, Narodową Fundację Nauki oraz Kanadyjską Radę ds. Nauk Przyrodniczych i Inżynieryjnych.