Χρήση ηλεκτροκαταλυτών για την εύρεση νέων χρήσεων για το δεσμευμένο CO2
Η οικολογία της Γης έχει μεταμορφωθεί από τους ανθρώπους με ανησυχητικό ρυθμό και θα επιδεινωθεί καθώς ο παγκόσμιος πληθυσμός συνεχίζει να επεκτείνεται και καθώς οι περιορισμένοι φυσικοί πόροι εξαντλούνται. Αυτές οι πραγματικότητες είναι εγγυημένες — μόνο το πτυχίο συζητείται.
Η μετάβαση σε βιώσιμες (μη πετρελαϊκές) χημικές πρώτες ύλες, καύσιμα και μεταποίηση είναι ένα ουσιαστικό μέρος για την αποκατάσταση της φυσικής ισορροπίας στην οικολογία της Γης. Ωστόσο, αυτό είναι ένα τρομακτικό έργο τεχνολογικά, οικονομικά και όσον αφορά την αντίληψη του κοινού. Μια ένδειξη αυτής της ανισορροπίας είναι το επίπεδο διοξειδίου του άνθρακα (CO2 ) στην ατμόσφαιρα. Έχει φτάσει στο υψηλό ρεκόρ των 410 ppm, έχοντας αυξηθεί κατά 30% από το 1960. Ως αποτέλεσμα, η παγκόσμια θερμοκρασία έχει ανέβει και τα ασταθή κλιματικά φαινόμενα έθεσαν σε κίνδυνο πόλεις με πλημμύρες και ακραίες καταιγίδες. Ως εκ τούτου, είναι επείγον και σημαντικό να βρούμε τρόπους μείωσης του CO2 στην ατμόσφαιρα.
Για την αντιμετώπιση αυτού του ζητήματος, οι κυβερνήσεις έχουν δεσμευτεί να μειώσουν το CO2 και άλλες εκπομπές αερίων του θερμοκηπίου (για τις ΗΠΑ, ο στόχος αυτός ήταν 17% έως το 2020 και 80% έως το 2050). Ωστόσο, σύμφωνα με τους επιστήμονες του Stanford, «μειώνοντας το CO2 οι εκπομπές μπορεί να μην είναι αρκετές για να περιορίσουν την υπερθέρμανση του πλανήτη». Αυτό σημαίνει ότι, εκτός από τον περιορισμό των εκπομπών, πρέπει καταργήστε ενεργά το CO 2 από την ατμόσφαιρα .
Πρόσφατες εξελίξεις σε πολυμερή που δεσμεύουν αναστρέψιμα το CO2 έχουν μειώσει το κόστος της άμεσης απομάκρυνσής του από τον αέρα κάτω από τα $100/μετρικό τόνο. Για συγκεντρωμένες σημειακές πηγές, όπως διυλιστήρια, εργοστάσια ηλεκτροπαραγωγής και εργοστάσια τσιμέντου, αυτό το κόστος μπορεί να είναι έως και 8 $/μετρικό τόνο. Αλλά τι μπορεί να γίνει με το CO 2 μόλις συλληφθεί; Επί του παρόντος, υπόγεια αποθήκευση αερίου CO2 δοκιμάζεται σε μικρές κλίμακες αλλά πρέπει να ξεπεράσει τις αντιλήψεις του κοινού (Not In My Backyard). Άμεση ανακύκλωση του CO 2 είναι πολύ πιο συναρπαστικό γιατί:
- Παρέχει μια ανανεώσιμη εναλλακτική για την παραγωγή βενζίνης, φυσικού αερίου, χημικών ουσιών και πολυμερών που προέρχονται από παραδοσιακά ορυκτά καύσιμα.
- Δημιουργεί έσοδα από την εμπορευματοποίηση των προϊόντων, καλύπτοντας το κόστος σύλληψης. και
- Μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την αποθήκευση ενέργειας σε χημικούς δεσμούς από διαλείπουσες ανανεώσιμες πηγές ενέργειας όπως η ηλιακή και η αιολική.
Όλα αυτά τα οφέλη μπορούν να επιτευχθούν μέσω μιας διαδικασίας που ονομάζεται ηλεκτροχημικό CO 2 μείωση . Χρησιμοποιώντας καταλύτη και ηλεκτρική ενέργεια, ιδανικά από ανανεώσιμες πηγές, τους δεσμούς στο νερό και το CO2 μπορεί να αναδιαταχθεί για να σχηματίσει νέα οργανικά μόρια. Αν και ηλεκτροχημικό CO2 Η μείωση είναι γνωστή εδώ και δεκαετίες, η απόδοση ισχύος και η επιλεκτικότητα προϊόντος έχουν περιοριστεί.
Οι ερευνητές έχουν αποδείξει ότι είναι δυνατή η χρήση αυτής της διαδικασίας για την παραγωγή μονοξειδίου του άνθρακα, μεθανόλης, αιθανόλης, μεθανίου και αιθυλενίου με σχετικά υψηλές αποδόσεις. Δυστυχώς, τα προϊόντα αυτά έχουν χαμηλή εμπορική αξία και είναι ενεργειακά αναποτελεσματικά στην παραγωγή, με αποτέλεσμα υψηλό κόστος παραγωγής που δεν είναι εφικτό σε εμπορική κλίμακα. Ωστόσο, μια πρόσφατα δημοσιευμένη έρευνα από το Πανεπιστήμιο Rutgers περιγράφει την ανακάλυψη μιας νέας οικογένειας ηλεκτροκαταλυτών — υλικά που είναι και ηλεκτρικά αγώγιμα και μπορούν να αναδιατάξουν χημικούς δεσμούς προσροφημένων ουσιών — που μπορούν να δημιουργήσουν προϊόντα υψηλότερου μοριακού βάρους εγγενώς υψηλότερης αξίας, σε υψηλές αποδόσεις μετατροπής ενέργειας, ανοίγοντας την πιθανότητα ηλεκτροχημικού CO2 μείωση για κέρδος.
Στον κόσμο των οργανικών ενώσεων, όσο μεγαλύτερη είναι η αλυσίδα άνθρακα, τόσο πιο πολύτιμο είναι το προϊόν. Οι καταλύτες φωσφιδίου νικελίου, γνωστοί προηγουμένως για την ικανότητα έκλυσης υδρογόνου τους, μπορούν να παράγουν επιλεκτικά μόρια με 3 και 4 άνθρακες ή μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως ενδιάμεσοι για τη δημιουργία μακρύτερων πολυμερών. Αυτοί οι ηλεκτροκαταλύτες είναι η πρώτη κατηγορία υλικών, εκτός από τα ένζυμα, που μπορούν να μετατρέψουν το CO2 στο C3 και C4 προϊόντα σε υδατικά μέσα με ηλεκτρική απόδοση> 99%. Τα δύο προϊόντα, η μεθυλγλυοξάλη και η 2,3-φουρανδιόλη, μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως πρόδρομες ουσίες για βιοδιασπώμενα πλαστικά, κόλλες και φαρμακευτικά προϊόντα . Εκτός από την υψηλή απόδοση, τα φωσφίδια νικελίου είναι επίσης φθηνά, άφθονα και έχουν μεγάλη διάρκεια ζωής καταλύτη (που είναι το κλειδί για την επιτυχή χρήση στη βιομηχανία). Η ανακάλυψη αυτών των εξαιρετικά ενεργών ηλεκτροκαταλυτών αντιπροσωπεύει μια σημαντική ανακάλυψη στο CO2 έρευνα μείωσης και θα μπορούσε να ανοίξει το δρόμο για CO2 σε βιομηχανική κλίμακα μετατροπή σε υψηλής αξίας χημικές πρώτες ύλες και προϊόντα.
Οι δυσμενείς επιπτώσεις της αύξησης του CO2 της ατμόσφαιρας επίπεδα που έχουν ήδη παρατηρηθεί στην άνοδο της θερμοκρασίας των ωκεανών και τα ακραία καιρικά φαινόμενα έχουν τονίσει την αυξανόμενη ανάγκη μας να αφαιρέσουμε το CO2 από την ατμόσφαιρα. Αυτή η μελέτη παρέχει νέα αισιοδοξία ότι τα παγκόσμια επίπεδα διοξειδίου του άνθρακα μπορούν να αντιστραφούν με βιώσιμο τρόπο, εκτοπίζοντας τους πόρους ορυκτών άνθρακα, χρησιμοποιώντας ανανεώσιμες πηγές ενέργειας και δημιουργώντας πολύτιμα προϊόντα — όλα με καθαρό κέρδος. Ενώ πολλές μηχανικές προκλήσεις πρέπει να αντιμετωπιστούν για την επίτευξη κλιμακούμενης ηλεκτροχημικής CO2 διαδικασίες μείωσης, το μέλλον φαίνεται πολύ πιο λαμπρό.
Αυτά τα ευρήματα περιγράφονται στο άρθρο με τίτλο Selective CO2 μείωση σε C3 και C4 οξυυδρογονάνθρακες σε φωσφίδια νικελίου σε υπερδυναμικές έως και 10 mV, που δημοσιεύθηκαν πρόσφατα στο περιοδικό Energy &Environmental Science.
Αυτή η εργασία διεξήχθη από τους Karin U. D. Calvinho, Anders B. Laursen, Kyra M. K. Yap, Timothy A. Goetjen, Shinjae Hwang, Nagarajan Murali, Bryan Mejia-Sosa, Alexander Lubarski, Krishani M.K. Martha Greenblatt και G. Charles Dismukes από το Rutgers το State University of New Jersey.
