Pod takim pomysłem podpisali się przedstawiciele Uniwersytetu Yale, którzy opracowali nową metodę przekształcania dwutlenku węgla w użyteczne związki chemiczne. Jak podkreślają, wyjątkowo istotną rolę odgrywa połączenie elektrokatalizy z plazmą, dzięki któremu można skuteczniej rozbijać wyjątkowo trwałe wiązania chemiczne obecne w cząsteczkach dwutlenku węgla. O szczegółach tej koncepcji czytamy w Nature Catalysis.
Dwutlenek węgla jest przecież jednym z najważniejszych gazów cieplarnianych, choć jednocześnie stanowi potencjalnie wartościowy surowiec chemiczny. Problem polega na tym, iż jego cząsteczki są bardzo stabilne. Ich rozłożenie i ponowne wykorzystanie wymaga dostarczenia energii oraz odpowiednio zaprojektowanego procesu chemicznego.
Czytaj też: Tańsze paliwo na Orlenie. Oto, jak możesz uzyskać rabat
Zespół, na czele którego stanęła Lea Winter postanowił połączyć dwie technologie. Pierwszą jest elektrokataliza, w której energia elektryczna i katalizator umożliwiają przeprowadzanie reakcji chemicznych. Drugą jest plazma, czyli silnie wzbudzony gaz zawierający naładowane cząstki. W opracowanym systemie elektrony plazmy oddziałują z CO2 i osłabiają jego wiązania, przygotowując cząsteczki do dalszej reakcji na powierzchni elektrokatalizatora.
To połączenie zapewnia nowe ścieżki reakcji, niedostępne przy wykorzystaniu samej elektrokatalizy. Jak wykazali badacze, ich system umożliwia między innymi produkcję metanolu oraz butanu, a także innych związków zawierających trzy i cztery atomy węgla. Są one interesujące z punktu widzenia przemysłu chemicznego, ponieważ mogą znaleźć zastosowanie w produkcji paliw, farmaceutyków, rozpuszczalników oraz innych materiałów. Część powstających związków może również stanowić surowiec do wytwarzania zrównoważonych paliw lotniczych.
Jednym z największych wyzwań było jednak skuteczne połączenie plazmy z elektrokatalizatorem. W typowych rozwiązaniach proces przebiega przy udziale wody. Problem w tym, że woda może neutralizować najbardziej reaktywne cząstki powstające w plazmie, zanim dotrą one do katalizatora. W rezultacie potencjalne korzyści wynikające z wykorzystania plazmy są mocno ograniczone.
Naukowcy z Yale rozwiązali ten problem, tworząc tzw. nterfejs trójfazowy, który pozwala kontrolować kontakt gazu, cieczy i materiału stałego. Ważną rolę odgrywa elektroda dyfuzyjna wykonana z membrany o właściwościach podobnych do materiałów stosowanych w powłokach nieprzywierających. Jej powierzchnia częściowo zniknęła pod cienką warstwą miedzi pełniącą funkcję katalizatora. Konstrukcja umożliwiła oddzielenie plazmy od cieczy, a jednocześnie pozwoliła aktywowanym cząsteczkom CO2 docierać do katalizatora. Niewielka ilość wody dostarcza natomiast protonów potrzebnych do przebiegu reakcji.
Czytaj też: Polska energetyka słoneczna ma ogromny problem. Sieć może tego nie wytrzymać
Według członków zespołu badawczego ich autorski układ osiągnął jedne z najwyższych raportowanych szybkości wytwarzania wartościowych alkoholi i innych produktów zawierających od trzech do czterech atomów węgla. Taka technologia może mieć znaczenie zarówno dla ograniczania emisji, jak i magazynowania energii pochodzącej ze źródeł odnawialnych. Proces można bowiem uruchamiać wtedy, gdy dostępna jest energia elektryczna, a następnie wyłączać, gdy jej podaż spada. Istotną zaletą takiego rozwiązania jest także możliwość jego skalowania.
System działa w temperaturze pokojowej i przy ciśnieniu atmosferycznym, co może ułatwiać wykorzystanie go w większych instalacjach. W grę wchodzi nawet modernizacja istniejących zakładów bez konieczności budowania całkowicie nowych fabryk. Ale zanim ogłosimy sukces, ważne będzie udoskonalenie katalizatora. Zespół badawczy chce testować alternatywne materiały i projektować je tak, aby jeszcze dokładniej kontrolować przebieg reakcji oraz kierować konwersję CO2 w stronę najbardziej wartościowych produktów.
Źródło: Nature Catalysis
