Régi rejtélyt oldottak meg – Fotoszintézissel készülhet szén-dioxidból üzemanyag
A most bemutatott folyamat évtizedes problémát küszöböl ki, és nagy álmot vált valóra. Csupán szén-dioxid és víz – illetve mesterséges fontszintézis – kell etanol üzemanyag készítéséhez.
A Kaliforniai Egyetem Lawrence Berkeley Nemzeti Laboratóriuma és a SLAC Nemzeti Gyorsítólaboratórium tudósai új eredményekkel álltak elő, amelyek segítenek jobban megérteni, hogyan működnek – vagy éppen miért nem hatékonyak – a rézalapú katalizátorok a mesterséges fotoszintézisben. Ez a folyamat lehetővé teszi, hogy szén-dioxidból és vízből értékes üzemanyagokat, illetve vegyületeket állítsanak el, szóval a korábban lehetetlennek hitt feladat megoldása óriási áttörést jelenthet.
A kutatók fejlett röntgentechnológiát és kis szögű röntgenszórást (SAXS) alkalmaztak, hogy közvetlenül lássák, hogyan változnak a réz nanorészecskék a katalitikus reakció során. Ez a módszer korábban főleg lágy anyagok, például polimerek vizsgálatára szolgált, most azonban új betekintést nyújt a rézalapú katalizátorok lebomlásának mechanizmusába, vagyis egy olyan kérdésbe, ami régóta foglalkoztatja a kutatókat – írja a kutatást támogató amerikai Energiaügyi Minisztérium (DOE) közleménye.
A munka a DOE Energia Innovációs Központjának Liquid Sunlight Alliance (LiSA) nevű projektje keretében zajlott, amelyet a Caltech vezet a Berkeley Laboratórium szoros együttműködésével. A 2020-ban indult LiSA több mint 100 tudóst fog össze különböző intézményekből, azzal a céllal, hogy tudományos alapot adjon napfényből, vízből, szén-dioxidból és nitrogénből előállítható folyékony üzemanyagok fejlesztéséhez.
Így készülhet fotoszintézissel szén-dioxid-üzemanyag
A szén-dioxid elektrokémiai redukciója (CO2RR) már az 1980-as években is komoly figyelmet kapott, amikor kiderült, hogy a réz hatékony katalizátor lehet a szén-dioxid és víz etilénné vagy etanollá alakításában. Később az is világossá vált, hogy a réz felületén aktív helyek vannak, amelyeken elektródreakciók zajlanak: itt a réz elektronjai lépnek kölcsönhatásba a szén-dioxiddal és vízzel, ami üzemanyagként hasznosítható vegyületeket eredményez.
A kutatók jelenleg azt vizsgálják, hogyan lehet ezeket az aktív helyeket úgy befolyásolni, hogy célzottan etanolt, etilént vagy propanolt lehessen előállítani.
A korábban megoldhatatlannak gondolt probléma ezzel az volt, hogy a réz gyorsan elveszíti katalitikus hatékonyságát a CO2RR során, és ez rontja az eredményességet. Bár sok kutató próbálta stabilizálni ezeket a rendszereket, máig nem sikerült, és ennek pontos okait sem sikerült megfejteni.
Gordiuszi csomót bontottak ki
A kutatásról írt tanulmányban a Berkeley Laboratórium és a SLAC szakemberei bemutattak két egymással versengő mechanizmust, amelyek lebontják a réz nanorészecskéket. Az egyik a vándorlás-egyesülés (PMC), amelynek során kisebb részecskék nagyobb egységekké állnak össze, a másik pedig az ún. Ostwald-érlelés, amellyel a nagyobb részecskék a kisebbek rovására növekednek.
„A módszerünkkel meg tudtuk vizsgálni, hogyan változik a nanoméretű részecskék eloszlása az üzemi körülmények függvényében, és két olyan mechanizmust tudtunk azonosítani, amelyekkel meg tudjuk határozni, hogyan stabilizálhatjuk ezeket a rendszereket, illetve hogyan védhetjük meg őket a leépüléstől” – vázolta a szén-dioxidból üzemanyagot alkotó sikeres eljárás feltételeit Walter Drisdell, a tanulmány társszerzője.
A tudósok a Stanfordi Szinkrotron Sugárforrás Laboratóriumában (SSRL) figyeltek meg egy egyórás CO2RR reakciót. Azt tapasztalták, hogy az első 12 percben a PMC folyamat dominál: a nanorészecskék elvándorolnak és összecsomósodnak, ezután viszont az Ostwald-érlelés válik meghatározóvá, amely során a kisebb részecskék feloldódnak, majd a nagyobbakon kicsapódnak – hasonlóan ahhoz, ahogyan a jégkrémben alakulnak ki a jégkristályok.
„Az eredmények alapján különböző védelmi stratégiákat lehet kidolgozni a katalizátorok megóvására, attól függően, milyen körülmények között használjuk őket. Például jobb hordozóanyagokat lehet alkalmazni a PMC korlátozására, ötvözési módszereket vagy fizikai bevonatokat a feloldódás lassítására és az Ostwald-érlelés csökkentésére” – magyarázta Drisdell.
A kutatócsoport a jövőben különböző védelmi módszereket fog tesztelni, és folytatják az együttműködést a Caltech-en dolgozó LiSA-partnerekkel. A cél organikus molekulákból álló katalitikus bevonatok fejlesztése, hogy pozitívan befolyásolják a CO2RR reakcióval előállított üzemanyagok és vegyületek összetételét, illetve hatékonyságát.
Címlapkép: Marilyn Sargent/Berkeley Laboratórium
