Czym są katalizatory?
Katalizatory przyspieszają reakcje chemiczne i stanowią podstawę wielu procesów przemysłowych. Są niezbędne m.in. do przekształcania oleju w benzynę lub paliwo do silników odrzutowych. Obecnie katalizatory stanowią ponad 80 procent wszystkich wytwarzanych produktów.
Zespół badawczy, kierowany przez Laboratorium Argonne National Laboratory Departamentu Energii USA (DOE) we współpracy z Northern Illinois University, odkrył nowy elektrokatalizator, który przekształca dwutlenek węgla i wodę w etanol z bardzo wysoką wydajnością energetyczną przy zachowaniu wysokiej selektywności i niskim kosztu produkcji. Etanol jest szczególnie pożądanym towarem, ponieważ jest składnikiem prawie wszystkich paliw i jest szeroko stosowany jako półprodukt w przemyśle chemicznym, farmaceutycznym i kosmetycznym.
Na czym polegać ma proces elektrochemiczny katalizatora?
„Proces powstały w wyniku działania naszego katalizatora przyczyniłby się do gospodarki węglowej o obiegu zamkniętym, która pociąga za sobą ponowne wykorzystanie dwutlenku węgla” – powiedział Di-Jia Liu, starszy chemik w dziale nauk chemicznych i inżynierii Argonne. W tym procesie można by dokonać elektrochemicznej przemian dwutlenku węgla emitowanego z procesów przemysłowych.
Katalizator zespołu składa się z atomowo rozproszonej miedzi na nośniku z proszku węglowego. W wyniku reakcji elektrochemicznej selektywnie rozkłada cząsteczki dwutlenku węgla i wody i ponownie składa rozbite cząsteczki w etanol pod zewnętrznym polem elektrycznym. Selektywność elektrokatalityczna procesu wynosi 90 procent, przez co jest znacznie wyższa niż w jakimkolwiek innym procesie tego typu. Co ważne, katalizator pracuje stabilnie podczas dłuższej pracy przy niskim napięciu.
Coraz niższy koszt pozyskania energii elektrycznej.
Ponieważ dwutlenek węgla jest stabilną cząsteczką, przekształcenie go w inną cząsteczkę jest zwykle energochłonne i kosztowne. Jednak według pracowników laboratorium możliwe będzie połączenie procesu elektrochemicznego konwersji dwutlenku węgla na etanol przy użyciu katalizatora z siecią elektryczną. Przyczynie się to do możliwości korzystania z taniej energii elektrycznej dostępnej ze źródeł odnawialnych, takich jak słońce i wiatr, poza godzinami największego nasłonecznienia.
Opisany proces przebiega w niskiej temperaturze i ciśnieniu.
Na badaniach zespołu skorzystały dwa biura DOE Office of Science User Facilities w Argonne – zaawansowane źródło fotonów (APS) i Centrum materiałów w nanoskali oraz Laboratorium Computing Resource Centre (LCRC) w Argonne. „Dzięki wysokiemu strumieniowi fotonów wiązek rentgenowskich w APS uchwyciliśmy zmiany strukturalne katalizatora podczas reakcji elektrochemicznej ” – powiedział Tao Li, adiunkt na Wydziale Chemii i Biochemii w północnym Illinois Uniwersytet Dane te, wraz z mikroskopią elektronową o wysokiej rozdzielczości w CNM i modelowaniem obliczeniowym przy użyciu LCRC, ujawniły odwracalną transformację z rozproszonej atomowo miedzi do klastrów po trzy atomy miedzi, każdy po przyłożeniu niskiego napięcia. Odkrycie to rzuca światło na sposoby dalszego ulepszania katalizatora poprzez racjonalne projektowanie.
Wszystkie dotychczasowe konstrukcje nowych katalizatorów stworzone w oparciu o powyższe wytyczne są bardzo wydajne. Kontynuacja badań we współpracy z przemysłem powinna przynieść obiecujące rezultaty.
Zobacz również: Zasoby i wykorzystanie energii geotermalnej w Polsce.
źr. Joseph E. Harmon, Argonne National Laboratory, www.phys.org
