Využití oxidu uhličitého jako suroviny

Chemici z Technické univerzity v Berlíně pod vedením prof. Dr. Petera Strassera z oboru „Elektrochemická katalýza a materiály“ se inspirovali biokatalýzou k vývoji nového katalyzátoru pro redukci oxidu uhličitého.

Oxid uhličitý (CO₂) je široce známý jako skleníkový plyn škodlivý pro klima. Neustále se klade otázka, zda a jak by bylo možné tento plyn využít také jako surovinu. Téma, které je mimo jiné zajímavé pro průmysly, jež například potřebují velké množství oxidu uhelnatého (CO) pro výrobu polykarbonátu nebo polyuretanu. Jedná se o termoplastické plasty, které se například používají při výrobě CD, brýlí a ochranných skel (polykarbonát) nebo pěn, palubních desek a pěnových materiálů (polyuretan).

„Oxid uhelnatý potřebný ve výrobním procesu se dosud získává z methanu, fosilního paliva,“ vysvětluje prof. Dr. Peter Strasser z TU Berlín. „Proces, při kterém se spotřebovávají nejen fosilní paliva, ale zároveň vzniká i oxid uhličitý. Otázkou bylo, zda je nutné tento oxid uhelnatý získávat přímo z methanu, nebo jestli existuje efektivnější způsob, jak jej získat z CO₂? Odpověď zní: Ano, elektrochemicky je to možné, a tento proces je v současnosti intenzivně zkoumán, mimo jiné i průmyslovými partnery, například firmou Covestro. Problémem je, že dosud nejefektivnější známý katalyzátor pro tuto elektrolyzu je stále relativně nespecifický a navíc vyžaduje v aktivním centru zlato nebo stříbro – což je poměrně nákladné.“

V rámci společného projektu financovaného z programu Horizon 2020, jehož koordinátorem je Technická univerzita Drážďany, Ruhr Universität Bochum, Kodaňská univerzita a TU Berlín, se pracovní skupina kolem Petera Strassera zabývala bioinspirovaným katalyzátorem, jehož aktivní centrum je inspirováno aktivním centrem hemoglobinu, tzv. porfyrinem. Tento obsahuje ve svém aktivním centru čtyři dusíková atomy a uprostřed je umístěn kovový atom. Přesně toto aktivní centrum bylo vyrobeno jako pevnolátková látka. Již existovaly teoretické předpovědi, že tato porfyrinová motivy mohou elektrochemicky nejen redukovat kyslík, ale také velmi selektivně z oxidu uhličitého vytvářet oxid uhelnatý. Jedním z mála vedlejších produktů je například vodík. Klíčovou roli zde hraje centrální kov. Ten váže molekulu CO₂ a přes různé mezistupně z ní vytváří oxid uhelnatý. Jak efektivní je tato produkce CO, závisí velmi podstatně na kovu v aktivním centru katalyzátoru.

„Zkoumali jsme například nikl a železo jako centrální atom v katalyzátoru. Nikl je například zvlášť zajímavý derivát, protože váže oxid uhelnatý jen slabě a poměrně snadno jej uvolňuje jako plyn. Pokud však obsahuje aktivní centrum železo, je počáteční produkce CO sice vyšší než u niklu, ale oxid uhelnatý je výrazně pevněji vázán. To má za následek, že katalyzátor je rychleji zablokován. Porovnáním různých derivátů katalyzátorů jsme mohli dokázat, že alespoň v laboratorních podmínkách je katalyzátor s 99 procenty uhlíku založený na niklu v aktivním centru efektivnější a selektivnější při výrobě oxidu uhelnatého z oxidu uhličitého než známé katalyzátory na bázi zlata a stříbra,“ popisuje Peter Strasser výsledky pokusů.

Dosud byly tyto katalyzátory zkoumány pouze v laboratorních podmínkách, nyní jsou však vyráběny v gramových dávkách a testovány v mini-testovací jednotce u průmyslového partnera Covestro.

Understanding activity and selectivity of metal-nitrogen-doped carbon catalysts for electrochemical reduction of CO₂
Wen Ju, Alexander Bagger, Guang-Ping Hao, Ana Sofia Varela, Ilya Sinev, Volodymyr Bon, Beatriz Roldan Cuenya, Stefan Kaskel, Jan Rossmeisl & Peter Strasser
Nature Communications 8, Article number: 944(2017), DOI:10.1038/s41467-017-01035-z