Wzorcowe postępowanie: jak precyzyjnie opracowane katalizatory mogą pomóc w walce ze zmianą klimatu
Przejście na energię odnawialną jest kluczowym krokiem w realizacji unijnych długofalowych celów klimatycznych. Jednak ciekłe węglowodory, zwykle pozyskiwane z paliw kopalnych, pozostają nieodzownym elementem transportu morskiego i lotniczego oraz stanowią ważny surowiec do produkcji nawozów, leków i tworzyw sztucznych. Jednym z rozwiązań jest wykorzystywanie energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych do produkcji zielonego wodoru, a następnie łączenie go z dwutlenkiem węgla w celu uzyskania ciekłych węglowodorów. Inną możliwością jest bezpośrednie wykorzystanie energii elektrycznej do przekształcania dwutlenku węgla i wody w węglowodory. Możliwość przeprowadzania tych procesów na skalę przemysłową pomoże również w transporcie i magazynowaniu energii elektrycznej pochodzącej ze źródeł odnawialnych. W ramach finansowanego ze środków UE projektu 3D Model Catalysts (3MC) badano system do tworzenia nowych katalizatorów, które mogą umożliwić realizację tych procesów. „Paliwa płynne i surowce do wytwarzania substancji chemicznych będą nam zawsze potrzebne, nawet jeśli nie będziemy chcieli ich już pozyskiwać z zasobów kopalnych”, wyjaśnia Petra de Jongh, koordynatorka projektu 3MC. „Aby dokonać zmian potrzebnych do urzeczywistnienia tych nowych technik, musimy zaprojektować nowe i wydajne katalizatory, które zminimalizują ilość materiałów, koszty i zapotrzebowanie na energię elektryczną”, mówi de Jongh, profesor zajmująca się katalizatorami i materiałami energetycznymi w Instytucie Debye’a na Uniwersytecie Utrechckim w Holandii. „To umożliwia realizację całego procesu”.
Wzorcowe katalizatory
W skład wielu katalizatorów wchodzi drobny metalowy proszek, który jest następnie wiązany z podłożem tlenkowym, aby ułatwić pracę z nimi. Przykładem są katalizatory na bazie platyny, które można znaleźć w układach wydechowych samochodów. Jednak zawarte w tych proszkach cząsteczki są w stanie nieuporządkowanym, co utrudnia zrozumienie tego, jak zaprojektować optymalny katalizator. Aby rozwiązać ten problem, de Jongh i jej zespół postanowili stworzyć wzorcowe katalizatory z miedzi i innych metalowych nanocząstek osadzonych w mezoporowatej krzemionce, które były bacznie kontrolowane pod względem struktury, składu i geometrii. „Miały one bardzo jednolitą i dobrze zdefiniowaną strukturę w przestrzeni trójwymiarowej”, dodaje de Jongh. „Fazą aktywną tych katalizatorów są małe nanocząstki, więc poza składem ogromny wpływ na ich działanie ma wielkość cząstek. Dwa, trzy czy cztery nanometry robią różnicę”. De Jongh i jej zespół zaprojektowali serię katalizatorów zarówno do termicznej, jak i elektrochemicznej konwersji CO2, opierając się na parametrach, które według ich hipotez dobrze byłoby poprawić. Zostały one stworzone w sposób syntetyczny, a następnie scharakteryzowane, z atomową precyzją, aby otrzymać jasny obraz struktury katalizatora.
Próba w warunkach przemysłowych
Wreszcie nowe katalizatory zostały przetestowane w laboratorium de Jongh, w którym znajduje się kilka stanowisk badawczych symulujących warunki przemysłowe. Umożliwiło to sprawdzenie działania nowatorskich katalizatorów w warunkach rzeczywistych. „Katalizatory muszą być testowane przy wysokich temperaturach w warunkach wysokiego ciśnienia i przepływu hydrodynamicznego przez wiele tygodni”, wyjaśnia de Jongh. Przeprowadzone przez zespół prace wykazały, że metodologia ta jest niezwykle pewnym sposobem na zrozumienie fundamentalnych kwestii i opracowanie podstawowych zasad projektowania nowych katalizatorów. Katalizatory stworzone w ramach projektu 3MC są obecnie badane pod kątem zastosowań w przemyśle. „Stworzyliśmy katalizatory o nowym rozkładzie geometrycznym i atomowym, które działają lepiej niż konwencjonalne katalizatory”, zauważa de Jongh. „Kontrolowanie rozkładu atomowego dwóch pierwiastków w nanocząstce może na przykład sprawić, że aktywność katalizatora – przy tym samym składzie – będzie 50 razy większa”. Prace w ramach projektu były wspierane przez Europejską Radę ds. Badań Naukowych. „Umożliwiło to realizację wszystkich zamierzonych przez nas celów”, mówi de Jongh. „To wsparcie pozwoliło nam na zbudowanie tej grupy, naszego zespołu, i zbadanie tego podejścia. To wspaniałe uczucie widzieć, że grupy na całym świecie podążają teraz za naszym przykładem”.
Słowa kluczowe
3MC, katalizatory, chemiczny, klimat, energia, wzorzec, elektrochemiczny, konwersja CO2, geometryczny, atomowy
