Avtor: Kimm Fesenmaier
Kaj če bi lahko stroj iz ozračja vsrkal ogljikov dioksid, ga podvrgel vrsti kemičnih reakcij in na koncu izpljunil industrijsko uporabno plastiko?
„Mislim, da je to nekaj, kar bi nas kot družbo zanimalo. Konec koncev je ogljikov dioksid poleg tega, da je toplogredni plin, tudi bogata in poceni surovina,“ pravi Theo Agapie (doktorat 2007), profesor kemije John Stauffer in izvršni direktor za kemijo na Caltechu. „Z našim novim delom smo naredili pomemben korak v tej smeri.“
V članku [1], objavljenem v reviji Angewandte Chemie International Edition, Agapie in skupina kemikov iz Caltecha opisujejo sistem, ki uporablja električno energijo iz trajnostnih virov za kemično pretvorbo ogljikovega dioksida (CO2) v molekule, kot sta etilen in ogljikov monoksid, ki so uporabne za proizvodnjo bolj kompleksnih spojin.
Ko se to doseže z uporabo svetlobe kot vira energije, brez rastlin, takšen proces imenujemo umetna fotosinteza. Novi sistem dovaja nastali etilen in ogljikov monoksid v drugi katalitični krog, ki proizvaja industrijsko uporabne plastike, imenovane poliketoni, ki so znani po svoji trdnosti, trajnosti in toplotni stabilnosti, zaradi česar so idealni za uporabo v različnih področjih, od lepil do avtomobilskih delov in od športne opreme do industrijskih cevi.
„Pokazali smo, da je mogoče CO2 uporabiti za izdelavo koristnega materiala, ne da bi pri tem uporabili rastline kot posrednika,“ pravi glavni avtor Max Zhelyabovskiy (MS ’24), podiplomski študent v Agapiejevem laboratoriju, ki ga je pri projektu so-mentoriral Jonas C. Peters, profesor kemije na Caltechu in direktor Resnick Sustainability Institute.
Ekipa pod vodstvom Caltecha ni prva, ki je razvila sistem, ki poskuša zmanjšanje CO2 povezati z drugo kemijsko reakcijo, da bi na koncu proizvedla polimere. Vendar so prejšnji sistemi dodajali etilen, ki izhaja iz naftnih derivatov, namesto da bi ga pridobili iz ogljikovega dioksida in vode.
Pretvorba CO2 v plastiko je bila iz več razlogov zahtevna. Med njimi je dejstvo, da so prejšnji elektrokemijski sistemi za zmanjševanje CO2 proizvedli zelo malo etilena in ogljikovega monoksida, reagentov, potrebnih za drugi korak pretvorbe v poliketone. Dejansko je večina proizvedla manj kot 5-odstotne koncentracije teh želenih spojin, skupaj z drugimi neželenimi kemikalijami, ki lahko potencialno škodujejo nadaljnjim procesom.
„Vsaj v laboratorijskem obsegu je bilo težko pridobiti visoko koncentrirane, zelo čiste tokove reagentov, ki bi jih bilo mogoče pretvoriti v nekaj podobnega plastiki ali gorivu,“ pravi Zhelyabovskiy. Toda sistem, ki ga je pomagal razviti, dosega znatno višje koncentracije – 11 odstotkov etilena in 14 odstotkov ogljikovega monoksida.
A to ni edini izziv. Povezovanje dveh sistemov – enega za zmanjšanje CO2 in drugega za katalizo, ki sledi – ni preprosto, pravi Zhelyabovskiy. »Večina raziskav v literaturi se osredotoča bodisi na prvi bodisi na drugi korak, ločeno in s čistimi surovinami. Ne na oba.«
Dvostopenjski sistem
Ob upoštevanju zelo različnih okolij, potrebnih za zmanjšanje CO2 in sekundarni katalitični korak, da delujejo z visoko učinkovitostjo, je ekipa Caltech laboratorija razvila sistem z dvema ločenima zankama za ločene reakcije.
V prvem krogu sistem začne z elektrodami za difuzijo plina, hidrofobnimi polimeri, prevlečenimi s tanko plastjo bakra. Znanstveniki črpajo CO2 v plinsko jeklenko, povezano z elektrodami, in skozi elektrode pretakajo kalijev bikarbonatni elektrolit, hkrati pa na elektrode priključijo napetost. S večkratnim kroženjem plinov skozi to elektrokemijsko napravo lahko ustvarijo relativno visoke koncentracije etilena in ogljikovega monoksida.
Po približno eni uri nabiranja teh plinov raziskovalci etilen in ogljikov monoksid vpeljejo v drugi korak: zaprti reaktor, kjer plini prehajajo skozi raztopino paladijevega katalizatorja.
Podobno kot mehurček v akvariju ta proces obogati raztopino z etilenom in ogljikovim monoksidom. Katalizator, znan kot kopolimerizacijski katalizator, spodbuja učinkovito nastajanje polimera – v tem primeru poliketona – iz dveh monomerov.
Katalizator, ki opravlja svojo nalogo v delovnih pogojih
Katalizatorji se običajno testirajo v neokrnjenih pogojih, ki ne odražajo nujno okolja, v katerem so izpostavljeni med elektrokemijsko redukcijo CO2.
Na primer, čeprav je vodna para zelo škodljiva za številne polimerizacijske katalizatorje, je voda nujen del redukcije CO2, zato je vnos vodne pare neizogiben. V novi raziskavi so Agapie, Peters in njihovi sodelavci pokazali, da se katalizator iz paladija lahko uporablja tudi v prisotnosti onesnaževalcev, ki se vnašajo med redukcijo CO2 – vključno ne le z vodno paro, ampak tudi z vodikom, nereagiranim CO2, alkoholnimi hlapi in drugimi kemičnimi posredniki.
Zhelyabovskiy pravi, da novi sistem in tehnika potrebujeta dodatno izpopolnjevanje. Na primer, še ne proizvajata poliketonov z enako molekulsko maso kot tisti, ki so proizvedeni na standarden način. Vendar pa pravi: »S tem, da dokažemo, da je to mogoče, lahko povečamo zanimanje za to področje in morda bodo ljudje lahko nadgradili ta princip.«
Agapie opozarja, da mora električna energija za trajnostno in praktično tehnologijo izhajati iz obnovljivih in ogljično nevtralnih virov ter biti dovolj poceni, da lahko konkurira naftnim virom.
Dodatni avtorji članka „Plastika iz CO2, vode in elektrike: tandemsko elektrokemično zmanjšanje CO2 in termokemična kopolimerizacija etilena in CO“ sta Hyuk-Joon Jung in Paula L. Diaconescu iz UCLA.
Projekt je temeljil na delu, ki ga je opravila Liquid Sunlight Alliance (LiSA), energetski center, ki ga podpira ameriško ministrstvo za energijo in združuje strokovno znanje in prizadevanja znanstvenikov iz Caltecha, Lawrence Berkeley National Laboratory, Stanford National Accelerator Laboratory in National Renewable Energy Laboratory, skupaj z univerzitetnimi partnerji iz UC Irvine, UC San Diego in University of Oregon. Dodatna sredstva za ekipo UCLA je zagotovila National Science Foundation.
Viri:
1: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202503003
Povzeto po:
https://www.caltech.edu/about/news/making-plastic-from-carbon-dioxide-water-and-electricity
