Poszukiwanie sposobu na przetwarzanie CO2 na związki chemiczne jak metan, etylen czy etanol to święty Graal dla naukowców z obszaru ekologicznych paliw. Sposoby, by tego dokonać, istnieją już od dawna, jednak naukowcy opracowali doskonalszą technologię. Udało im się zwiększyć wydajność elektrokatalitycznej redukcji dwutlenku węgla tak, aby stała się bardziej przyjazna dla środowiska i uzasadniona ekonomicznie.
Dotychczasowe metody
Do tej pory za najskuteczniejszy elektrokatalizator uznawano metaliczną miedź. Cechuje ją jednak ograniczona wydajność, a same procesy chemiczne – w efekcie których następuje przetwarzanie CO2 – nie pozostają bez wpływu na środowisko. Ponadto stosowanie tej metody jest kosztowne, co uniemożliwia jej wielkoskalowe użycie.
Sama idea przetwarzania dwutlenku węgla na inne związki chemiczne jest jednak bardzo atrakcyjna, ponieważ może przyczynić się do obniżenia ilości gazów cieplarnianych w atmosferze i stworzenia nowej metody pozyskiwania energii w sposób odnawialny. Dlatego zespół naukowców z Centrum Nowych Technologii Uniwersytetu Warszawskiego oraz Kalifornijskiego Instytutu Technologicznego podjął się badań nad dwuwymiarowym szkieletem metaloorganicznym. Wyniki ich prac opublikowano w czasopiśmie Journal of the American Chemical Society.
Czytaj też: Co wspólnego mają NASA i biogaz?
Stosowany do tej pory powszechnie proces eleyktrokatalityczny cechuje się też wieloetapowością. Naukowcy podkreślili, że jego kluczowym elementem jest wytwarzanie cząsteczki CO–CO.
– Wymagana do jej uzyskania energia jest często bardzo wysoka, powodując konieczność zastosowania podwyższonej temperatury lub innych, ostrych warunków reakcji. Dlatego wiele grup naukowych dąży do opracowania nowych związków chemicznych lub materiałów, które sprawią, że etap ten będzie szybki, a cały proces tańszy, szybszy lub zachodzący w łagodniejszych warunkach, czyli bardziej zrównoważony – mówi cytowany w komunikacie prof. Bartosz Trzaskowski z CeNT UW.
Dwuwymiarowe szkielety metaloorganiczne
– W tej konkretnej publikacji w 'Journal of the American Chemical Society’ opisujemy, w jaki sposób szczególna klasa dwuwymiarowych szkieletów metaloorganicznych opartych na rdzeniu ftalocyjaninowym działa jako centrum reaktywne do wydajnej produkcji etylenu i metanu – wyjaśnia dr hab. Silvio Osella z Laboratorium Symulacji Systemów Chemicznych i Biologicznych, Centrum Nowych Technologii (CeNT) UW.
Dwuwymiarowe szkielety metaloorganiczne to materiały, które tworzy się z jonów metali oraz nieorganicznych klastrów połączonych sztywnymi organicznymi łącznikami.
– Struktury te spełniają zarówno kryterium wydajności, jak i ekonomiczności. Cieszą się one obecnie bardzo dużym zainteresowaniem ze względu na łatwość syntezy oraz właściwości katalityczne. Atrakcyjność dwuwymiarowych szkieletów metaloorganicznych polega na ich modułowej budowie, bardzo dużej powierzchni materiału oraz wysokiej porowatości, dzięki czemu znalazły zastosowanie w separacji i magazynowaniu gazów, rozdziale mieszanin czy transporcie leków. Mają one również duży potencjał redukcji dwutlenku węgla, który pozwala na uzyskanie różnych ważnych substancji chemicznych – informuje dr hab. Osella.
Czytaj też: Biometan to nie mrzonka
Ponadto autor publikacji tłumaczy, że analiza mechanizmu reakcji katalitycznej była wykonywana za pomocą nowych, dokładniejszych metodologii obliczeniowych. Pozwalają one przewidzieć szybkość przebiegu procesu przy stałym potencjale zewnętrznym i porównanie ich z danymi eksperymentalnymi. Za opracowaniem metod obliczeniowych stoi Kalifornijski Instytut Techniczny.
– Dzięki tym metodom zaproponowaliśmy mechanizm reakcji leżący u podstaw tworzenia metanu i etylenu na badanym dwuwymiarowym szkielecie metaloorganicznym i zwiększający wydajność produkcji do 50 proc. dla etylenu i 25 proc. dla metanu. Są to jedne z najwyższych odnotowanych wydajności dla tych reakcji i dwuwymiarowych materiałów – mówi dr hab. Osella. – Pokazaliśmy również, że kluczowy etap reakcji różni się od standardowego etapu dimeryzacji CO–CO obserwowanego na powierzchniach miedzi, a zatem wymaga znacznie mniej energii. W rezultacie badany dwuwymiarowy szkielet metaloorganiczny zachowuje się jak katalizator jednoatomowy – dodaje.
Dalsze prace nad tego typu materiałami mogą otworzyć ludzkości drogę do dekarbonizacji przy jednoczesnym wytwarzaniu alternatywnych paliw.
Biomasa i paliwa alternatywne
Inne wydania Magazynu Biomasa znajdziesz tutaj. Dlatego kliknij i czytaj!
Zdjęcie: Freepik
Źródło: Nauka w Polsce
Newsletter
Bądź na bieżąco z branżą OZE
