Φτηνός καταλύτης μετατρέπει το ηλιακό φως και το διοξείδιο του άνθρακα σε καύσιμα.

Καταλύτης Cu-Zn διασπά το διοξείδιο του άνθρακα.      i-Stockr/iStockphoto

Ένας φτηνός καταλύτης που δεν στηρίζεται στα ακριβά μέταλλα όπως το παλλάδιο(Pd) ή ο λευκόχρυσος-πλατίνα(Pt), μετατρέπει το διοξείδιο του άνθρακα σε πρώτη ύλη για τα συνηθισμένα υγρά καύσιμα, χρησιμοποιώντας την ενέργεια του ήλιου.

Από τον  Robert Service στο Science

Οι επιστήμονες από πάρα πολύ παλιά προσπαθούν να μιμηθούν τη φωτοσύνθεση. Προσπαθούν να φτιάξουν καύσιμα (υδρογονάνθρακες) χρησιμοποιώντας την ενέργεια του ηλίου, το διοξείδιο του άνθρακα (CO2) και νερό. Ένας νέος καταλύτης κατάφερε να υλοποιήσει ένα μέρος αυτής της διαδικασίας, με πολύ μεγάλη αποτελεσματικότητα. Χρησιμοποιώντας ηλεκτρισμό από φωτοβολταϊκά συστήματα διασπά το διοξείδιο του άνθρακα σε μονοξείδιο του άνθρακα (CO) και σε οξυγόνο. Το μονοξείδιο του άνθρακα που είναι ένα μόριο ενεργειακά πλούσιο μπορεί να χρησιμοποιηθεί παραδείγματος χάρη για την παρασκευή μεθανόλης. Η μετατροπή μέχρι στιγμής δεν είναι ακόμα τόσο αποδοτική ώστε να συναγωνιστεί τα ορυκτά καύσιμα όπως η βενζίνη. Αλλά κάποια μέρα θα μπορούσε να οδηγήσει σε μεθόδους για να φτιάχνουμε τεράστιες ποσότητες υγρών καυσίμων από τον ήλιο το νερό και το διοξείδιο του άνθρακα, που θα είναι η τέλεια λύση για την υπερθέρμανση του πλανήτη.

Αυτή η καινούργια δουλειά είναι ένα “πολύ καλό αποτέλεσμα” λέει ο John Turner ένας ειδικός στα ανανεώσιμα καύσιμα στο National Renewable Energy Laboratory στο Golden του Colorado.

Το πρώτο βήμα του μετασχηματισμού είναι η διάσπαση του διοξειδίου του άνθρακα (CO2) σε οξυγόνο και μονοξείδιο του άνθρακα (CO), όπου το τελευταίο μπορεί να ενωθεί με υδρογόνο για να παρασκευαστούν μία σειρά από υδρογονάνθρακες. Αν για παράδειγμα προσθέσουμε 4 άτομα υδρογόνου στο CO φτιάχνουμε μεθανόλη που είναι ένα καύσιμο που ήδη χρησιμοποιείται στα αυτοκίνητα. Αυτή είναι μία παρασκευή μεθανόλης που είναι γνωστή από πάρα πολύ παλιά. Τις τελευταίες δύο δεκαετίες οι επιστήμονες έχουν ανακαλύψει έναν αριθμό καταλυτών που κάνει εφικτή αυτή τη διάσπαση του διοξειδίου του άνθρακα, όταν διοχετεύσουμε φυσαλίδες διοξειδίου σε νερό παρουσία ηλεκτρικού ρεύματος. Ένας από τους πιο καλά μελετημένους και φθηνούς καταλύτες είναι μείγμα χαλκού και οξυγόνου δηλαδή οξείδιο του χαλκού. Το πρόβλημα είναι ότι αυτός ο καταλύτης διασπά περισσότερο το νερό από ότι το διοξείδιο του άνθρακα. Και έτσι παράγεται περισσότερο μοριακό υδρογόνο που είναι μια ένωση λιγότερο πλούσια ενεργειακά όπως λέει ο Michael Graetzel, ένας χημικός στην Ελβετία, του οποίου το γκρουπ, στο Swiss Federal Institute of Technology στη Lausanne, έχει μελετήσει πολλούς καταλύτες που διασπούν το διοξείδιο.

Ο νέος καταλύτης είναι οξείδια του χαλκού και του ψευδαργύρου, χρησιμοποιεί ηλεκτρικό ρεύμα από φωτοβολταϊκά για να διασπάσει το νερό και το διοξείδιο του άνθρακα και έτσι παρασκευάζει ενεργειακά πλούσιο μονοξείδιο του άνθρακα το οποίο κατόπιν  αναμορφώνεται για να δώσει υγρά καύσιμα.

Τον περασμένο χρόνο ο Marcel Schreier ένας από τους πτυχιακούς φοιτητές του Graetzel ερευνούσε τις λεπτομέρειες για το πώς δουλεύουν οι καταλύτες  οξειδίου του χαλκού. Τοποθέτησε μία στιβάδα οξειδίου του χαλκού σε ένα ηλεκτρόδιο βασισμένο σε οξείδιο του ψευδαργύρου. Το ηλεκτρόδιο αυτό τροφοδοτεί με ηλεκτρόνια το δοχείο που περιέχει νερό και διαλυμένο διοξείδιο του άνθρακα. Αντί να διασπά κ το νερό όπως συμβαίνει με τον καταλύτη από οξείδιο του χαλκού ο νέος καταλύτης παρήγαγε σχεδόν καθαρό μονοξείδιο. Ήταν μία ανακάλυψη που έγινε τυχαία λέει ο Graetzel.

Ο ψευδάργυρος συνεχίζει ο  Graetzel φαίνεται να απενεργοποιεί τα ενεργά κέντρα του καταλύτη τα οποία διασπούν το νερό. Σαν αποτέλεσμα όλο το ηλεκτρικό ρεύμα πήγε στην παρασκευή του επιθυμητού μονοξειδίου και όχι στη διάσπαση του νερού. Οπλισμένη με αυτή την καινούργια ανακάλυψη η ομάδα του Graetzel έψαξε να βρεί τρόπους να επιταχύνει τη δουλειά του καταλύτη. Για να το πετύχουν ξαναέφτιαξαν το ηλεκτρόδιο τους χρησιμοποιώντας νανοσύρματα από οξείδιο του χαλκού, τα οποία έχουν πολύ μεγάλη επιφάνεια ωστε να κάνουν την αντίδραση διάσπασης, και τα κάλυψαν με μία μονοατομική στιβάδα ψευδαργύρου. Και όπως ανακοίνωσε η ομάδα την τελευταία εβδομάδα στο Nature Energy αυτή η στρατηγική δούλεψε μετατρέποντας το 90% του διοξειδίου σε μονοξείδιο.  το υπόλοιπο 10% είναι υδρογόνο και παραπροϊόντα. Επίσης συνέδεσαν την συσκευή ηλεκτρόλυσης τους με μία φωτοβολταϊκή κυψέλη και έδειξαν ότι το 13,4% της ενέργειας που δεσμεύεται από τον ήλιο μετατράπηκε σε χημικούς δεσμούς στο μονοξείδιο του άνθρακα,  επιτυχία που αποτελεί ένα ρεκόρ. Κάτι τέτοιο αποτελεί πολύ καλύτερη απόδοση από αυτή των εργοστασίων φωτοβολταϊκών που αποθηκεύουν ενέργεια με απόδοση μόνο 1% και ακόμα ξεπερνάει και τις σύγχρονες υβριδικές προσεγγίσεις που συνδυάζουν καταλύτες με μικρόβια για να παράγουν καύσιμα.

Ο  Nate Lewis ένας χημικός στο California Institute of Technology στην  Pasadena λέει ότι το καινούργιο αποτέλεσμα ακολουθεί κατά πόδας τις άλλες σύγχρονες βελτιώσεις που χρησιμοποιούν καταλύτες για να μετατρέψουν το διοξείδιο του άνθρακα σε καύσιμα. “'Ολα μαζί δείχνουν ότι κάνουμε πρόοδο” λέει ο  .Lewis. Αλλά επίσης είναι σκεπτικιστής για το ότι οι προσπάθειες μετατροπής του διοξειδίου σε καύσιμο παραμένουν στο χώρο της βασικής έρευνας, επειδή δεν μπορούν να παράγουν καύσιμα σε τιμές συγκρίσιμες αυτές του πετρελαίου.

Ακόμα, η έκρηξη των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας σήμερα περιστασιακά παράγει περισσότερη ενέργεια από ό, τι το δίτυο μπορεί να διαχειριστεί. Έτσι, οι επιστήμονες ψάχνουν για ένα βιώσιμο τρόπο για την αποθήκευση της πλεονάζουσας ηλεκτρικής ενέργειας. Αυτό πολύ πιθανόν θα ωθήσει την περαιτέρω πρόοδο στην αποθήκευση ενέργειας σε χημικά καύσιμα, λέει ο Graetzel.

Πηγές:
www.sciencemag.org
Εικόνες:
www.sciencemag.org