Régi titkokra derült fény – a fotoszintézis segítségével szén-dioxidból állíthatunk elő üzemanyagot.

A most bemutatott folyamat évtizedes problémát küszöböl ki, és nagy álmot vált valóra. Csupán szén-dioxid és víz - illetve mesterséges fontszintézis - kell etanol üzemanyag készítéséhez.

A Kaliforniai Egyetem Lawrence Berkeley Nemzeti Laboratóriuma és a SLAC Nemzeti Gyorsítólaboratórium tudósai új eredményekkel álltak elő, amelyek segítenek jobban megérteni, hogyan működnek - vagy éppen miért nem hatékonyak - a rézalapú katalizátorok a mesterséges fotoszintézisben. Ez a folyamat lehetővé teszi, hogy szén-dioxidból és vízből értékes üzemanyagokat, illetve vegyületeket állítsanak el, szóval a korábban lehetetlennek hitt feladat megoldása óriási áttörést jelenthet.

A kutatók fejlett röntgentechnológiát és kis szögű röntgenszórást (SAXS) alkalmaztak, hogy közvetlenül lássák, hogyan változnak a réz nanorészecskék a katalitikus reakció során. Ez a módszer korábban főleg lágy anyagok, például polimerek vizsgálatára szolgált, most azonban új betekintést nyújt a rézalapú katalizátorok lebomlásának mechanizmusába, vagyis egy olyan kérdésbe, ami régóta foglalkoztatja a kutatókat - írja a kutatást támogató amerikai Energiaügyi Minisztérium (DOE) közleménye.

A munka a DOE Energia Innovációs Központ Liquid Sunlight Alliance (LiSA) nevű programja keretében valósult meg, amelyet a Caltech irányít a Berkeley Laboratóriummal szoros együttműködésben. A 2020-ban elindított LiSA kezdeményezés több mint 100 tudós összefogását célozza meg különböző kutatóintézetekből, azzal a céllal, hogy tudományos keretet biztosítson a napfény, víz, szén-dioxid és nitrogén felhasználásával előállítható folyékony üzemanyagok fejlesztéséhez.

A szén-dioxid elektrokémiai redukciója (CO2RR) már az 1980-as évektől kezdve egyre nagyobb figyelmet kapott, miután felfedezték, hogy a réz kiemelkedő katalizátorként működhet a szén-dioxid és víz etilénné vagy etanollá történő átalakításában. Később világossá vált, hogy a réz felületén olyan aktív helyek találhatók, ahol elektródreakciók zajlanak: ezekben a pontokban a réz elektronjai interakcióba lépnek a szén-dioxiddal és vízzel, ezzel olyan vegyületeket hozva létre, amelyek üzemanyagként hasznosíthatók.

A kutatók jelenleg arra fókuszálnak, miként lehet ezeket az aktív helyeket manipulálni, hogy célzottan etanolt, etilént vagy propanolt állíthassanak elő.

A korábban szinte lehetetlennek tartott kihívás lényege abban rejlik, hogy a réz a szén-dioxid redukciós reakciója (CO2RR) alatt gyors ütemben elveszíti katalitikus hatékonyságát, ami jelentősen csökkenti a folyamat hatékonyságát. Számos kutató tett kísérletet arra, hogy stabilizálja ezeket a rendszereket, azonban eddig egyik próbálkozás sem vezetett tartós eredményre, és a jelenség mögött álló pontos okokat is még mindig homály fedi.

A Berkeley Laboratórium és a SLAC kutatói által készített tanulmányban két, egymással rivalizáló mechanizmust tártak fel, amelyek felelősek a réz nanorészecskék lebomlásáért. Az egyik mechanizmus a vándorlás-egyesülés (PMC), amelynek során a kisebb részecskék összeolvadnak és nagyobb struktúrákká alakulnak. A másik módszer az Ostwald-érlelés, amelynek során a nagyobb részecskék a kisebbek rovására növekednek, így elősegítve a méretbeli eltérések kiegyenlítődését.

Walter Drisdell, a tanulmány egyik szerzője, kifejtette, hogy "a módszerünk segítségével részletesen megvizsgáltuk, miként változik a nanoméretű részecskék eloszlása az üzemi környezet hatására. Az elemzés során két olyan mechanizmust fedeztünk fel, amelyek révén képesek vagyunk stabilizálni ezeket a rendszereket, és védeni őket a leépüléssel szemben." Ezáltal sikerült pontos feltételeket megfogalmazni az üzemanyag előállításához szén-dioxidból.

A Stanfordi Szinkrotron Sugárforrás Laboratóriumának (SSRL) kutatói egy egyórás CO2RR reakciót vizsgáltak, és érdekes megfigyeléseket tettek. Az első 12 percben a PMC (Partikula Mobilitási Ciklus) folyamat játszik kulcsszerepet, amely során a nanorészecskék vándorolni kezdenek és összecsomósodnak. Ezt követően azonban az Ostwald-érlelés folyamata kerül előtérbe, amelynek során a kisebb részecskék feloldódnak, és anyaguk a nagyobb részecskéken csapódik ki – hasonlóan ahhoz a jelenséghez, ahogyan a jégkrémben a jégkristályok kialakulnak.

Drisdell kifejtette, hogy az eredmények fényében számos egyedi védelmi stratégia dolgozható ki a katalizátorok védelmére, amelyek a használati körülményektől függően változhatnak. Például érdemes lehet jobb hordozóanyagokat alkalmazni a PMC (partikuláris méretű katalizátor) korlátozására, valamint különféle ötvözési technikákat vagy fizikai bevonatokat bevezetni a feloldódás lassítására és az Ostwald-érlelés mérséklésére.

A kutatócsoport a jövőben különféle védelmi technikák kísérletezésére készül, miközben szoros együttműködést folytat a Caltech-en dolgozó LiSA-partnerekkel. A projekt célja olyan organikus molekulákból készült katalitikus bevonatok kifejlesztése, amelyek képesek pozitívan befolyásolni a CO2RR reakció során keletkező üzemanyagok és vegyületek összetételét és hatékonyságát.