Progrese privind transformarea dioxidului de carbon în combustibil industrial

Imaginați-vă o zi în care, în loc să fie degajate în atmosferă, gazele provenite de la centralele electrice și industria grea vor fi captate și utilizate în reactoare catalitice care transformă chimic gazele cu efect de seră, precum dioxidul de carbon, în combustibili industriali și care degajă doar oxigen.

Aceasta este o perspectivă despre care Haotian Wang şi colegii săi din cadrul Rowland Institute at Harvard, SUA, afirmă că ar putea deveni realitate mai devreme decât ne imaginăm.

Cercetătorii au dezvoltat un dispozitiv îmbunătăţit care transformă dioxidul de carbon în monoxid de carbon utilizat în numeroase procese industriale. Sistemul este descris într-o lucrare publicată în Joule.

„Cea mai promițătoare idee ar putea fi utilizarea acestor dispozitive în centralele electrice pe bază de cărbune sau în alte instalaţii industriale care generează o cantitate mare de dioxid de carbon (CO2).

Aproximativ 20% din aceste gaze cu efect de seră sunt CO2, iar dacă le putem capta în această celulă… şi utilizăm electricitate din surse nepoluante, atunci putem produce substanțe chimice utile din aceste deșeuri într-un mod durabil“, a declarat Wang.

Noul dispozitiv de transformare a dioxidului de carbon în combustibil industrial reprezintă o îmbunătăţire semnificativă a unui alt dispozitiv pe care Wang și colegii săi l-au descris, pentru prima dată, într-o lucrare din anul 2017.

În timp ce vechiul dispozitiv avea mărimea unui telefon mobil și se baza pe două camere electrolitice, fiecare dintre ele având un electrod, noul dispozitiv este mai ieftin și pentru o funcţionare eficientă a acestuia sunt necesare concentrații ridicate de CO2 și vapori de apă.

O singură celulă de acest tip, având o suprafață de 10×10 cm², poate produce până la patru litri de monoxid de carbon (CO) pe oră.

Transformarea dioxidului de carbon în combustibil. Credit: Haotian Wang

În opinia lui Wang noul dispozitiv oferă o soluţie la două provocări principale, costul și scalarea tehnologiei de conversie a CO2, care au fost considerate o piedică în calea dezvoltării soluţiei iniţiale.

„În lucrarea noastră anterioară am descoperit catalizatori pe bază de atomi de nichel care sunt foarte selectivi pentru reducerea CO2 şi obţinerea CO…, dar una dintre provocările cu care ne-am confruntat a fost aceea că materialele utilizate erau scumpe.

Pentru a fixa atomi individuali de nichel am utilizat grafen, ceea ce înseamnă că scalarea acestei tehnologii este foarte dificilă pentru o utilizare practică în viitor”, a declarat Wang.

Pentru a rezolva această problemă cercetătorii din echipa lui Wang au utilizat un produs comercial care este de mii de ori mai ieftin decât grafenul: negrul de fum.

Pe baza unui proces similar cu atracţia electrostatică, Wang şi colegii săi au reuşit să fixeze atomi de nichel individuali (având sarcină electrică pozitivă) în defecte (având sarcină electrică negativă) din nanoparticulele de negru de fum, materialul rezultat fiind ieftin, dar şi foarte eficient pentru reducerea CO2.

„În momentul de față putem produce prin această tehnologie o cantitate de ordinul gramelor, dar înainte puteam produce doar miligrame pe lot. Acest lucru este limitat doar de echipamentele de sinteză pe care le avem. Dacă utilizăm un rezervor mai mare, atunci putem obţine o cantitate de ordinul kilogramelor sau chiar tonelor din acest catalizator”, a declarat Wang.

O altă provocare pe care Wang și colegii săi au trebuit să o depășească a fost aceea că sistemul original a funcționat numai într-o soluție lichidă.

Dispozitivul inițial a funcționat utilizând un electrod într-o singură cameră pentru a disocia moleculele de apă în oxigen și protoni. Pe măsură ce oxigenul s-a separat, protonii conduşi prin soluţia lichidă s-au deplasat în a doua cameră, unde, cu ajutorul catalizatorului pe bază de nichel, s-au legat de CO2 şi au scindat această moleculă generând CO şi apă. Această apă poate alimenta prima cameră, unde va fi disociată, iar procesul începe din nou.

„Problema a fost că moleculele de CO2 pe care le putem reduce în acest sistem sunt doar cele dizolvate în apă, iar majoritatea moleculelor care înconjoară catalizatorul sunt cele de apă. Doar o mică cantitate de CO2 a fost prezentă în apă, deci procesul de conversie în CO a fost destul de ineficient.

Deși poate fi tentant să se mărească, pur și simplu, tensiunea aplicată pe catalizator pentru a crește rata de reacție, acest lucru poate avea consecințe nedorite privind disocierea apei, împiedicând reducerea CO2.

Prin reducerea moleculelor de CO2, care sunt aproape de electrod, alte molecule trebuie să difuzeze la electrod şi pentru aceasta este nevoie de timp. Dacă mărim tensiunea electrică, atunci este mult mai probabil ca moleculele de apă din jur să reacționeze și să se scindeze în hidrogen și oxigen”, a declarat Wang.

Soluția la această problemă s-a dovedit a fi relativ simplă: pentru a evita disocierea apei, cercetătorii au scos catalizatorul din soluție.

„Am înlocuit acea apă lichidă cu vapori de apă și am utilizat o concentrație mare de CO2.

În consecință, dacă în dispozitivul anterior aveam mai mult de 99% apă și mai puțin de 1% CO2, acum putem să inversăm complet acest lucru și să pompăm 97% gaz CO2 și doar 3% vapori de apă în acest sistem”, a declarat Wang.

Desigur, sistemul trebuie îmbunătăţit în continuare, principala problemă semnalată de cercetători fiind legată de stabilitatea acestuia.

„Pentru ca această tehnologie să fie utilizată în scop economic pentru producerea de CO sau pentru reducerea gazelor cu efect de seră din atmosferă ar trebui ca un astfel de dispozitiv să funcţioneze continuu mii de ore.

În prezent o astfel de instalaţie poate funcţiona timp de câteva zeci de ore, dar cred că aceste probleme pot fi abordate printr-o îmbunătăţire a catalizatorului de reducere a CO2 și a catalizatorului de oxidare a apei”, a declarat Wang.

În opinia lui Wang putem spera că într-o zi instalaţiile industriale vor capta dioxidul de carbon, care este în prezent eliberat în atmosferă, pe care îl vor transforma în combustibil industrial.

Sursă: ScienceDaily