Szén-dioxid nyersanyagként való felhasználása

Vegyészek a Berlin Műszaki Egyetemen, Prof. Dr. Peter Strasser vezetésével, az „Elektro-kémiai katalízis és anyagok” szakterületről, a biokatalízisből merítettek inspirációt egy új katalizátorhoz a széndioxid csökkentéséhez.

A széndioxid (CO₂) széles körben klímakárosító kipufogógázként ismert. Ismételten felmerül a kérdés, hogy lehet-e ezt a gázt nyersanyagként is felhasználni, és ha igen, hogyan. Ez a téma különösen érdekes olyan iparágak számára, amelyek például nagy mennyiségben használnak szén-monoxidot (CO) a polikarbonát vagy poliuretán gyártásához. Ezek termoplasztikus műanyagok, amelyeket például CD-k, szemüvegek és védőüvegek (polikarbonát), vagy habok, műszerfalak és szivacsok (poliuretán) gyártásához használnak.

„A gyártási folyamat során szükséges szén-monoxid eddig metánból, egy fosszilis üzemanyagból nyerték ki” – magyarázza Prof. Dr. Peter Strasser a Berlin Műszaki Egyetemről. „Ez egy olyan folyamat, amely nemcsak fosszilis tüzelőanyagokat éget el, hanem közben széndioxid is keletkezik. A kérdés az volt, hogy feltétlenül metánból kell-e szén-monoxidot nyerni, vagy van-e hatékonyabb módszer a CO₂-ból történő kivonására? A válasz: igen, ez elektrochemikusan lehetséges, és ezt a folyamatot jelenleg intenzíven vizsgálják, többek között ipari partnerek, például a Covestro cég részvételével. A probléma: a legjobb eddig ismert katalizátor ehhez az elektrolízishez még mindig viszonylag nemspecifikus, és további arany vagy ezüst szükséges a reaktív központjában – tehát viszonylag költséges.”

Az Horizon2020 keretében támogatott közös projektben a Dresdeni Műszaki Egyetem, a Bochumi Ruhr Egyetem, a Koppenhágai Egyetem és a Berlin Műszaki Egyetem, mint konzorciumvezető, Peter Strasser csoportja egy bioinspirált katalizátorral foglalkozott, amelynek aktív központja a hemoglobin aktív központjára, a porfirinra emlékeztet. Ez a központ négy nitrogén-atomot tartalmaz, és középen egy fématom található. Pontosan ezt az aktív központot rögzített szilárdtestként állították elő. Már léteztek elméleti jóslások arról, hogy ezek a porfirin-motívumok elektrochemikusan nemcsak az oxigént tudják csökkenteni, hanem nagyon szelektíven széndioxidból szén-monoxidot is képesek előállítani. Az egyik melléktermék például a hidrogén. A döntő szerepet a központi fém játszik: megköti a CO₂ molekulát, és különböző közbenső lépéseken keresztül szén-monoxidot állít elő. Mennyire hatékony ez a szén-monoxid-termelés, az nagyban függ a fém típusától az aktív központban.”

„Vizsgáltunk többek között nikkelt és vasat, mint központi atomokat a katalizátorban. A nikkel például különösen érdekes származék, mivel gyengén kötődik a szén-monoxidhoz, és viszonylag könnyen felszabadítja gáznemű formában. Ha viszont az aktív központ vasat tartalmaz, akkor a szén-monoxid termelése kezdetben magasabb, mint a nikkelnél, azonban a szén-monoxid erősebben kötődik, így gyorsabban blokkolódik a katalizátor. A különböző katalizátor-származékok összehasonlításával bebizonyítottuk, hogy legalább laboratóriumi méretekben egy 99 százalékban szénre alapozott katalizátor, amelynek aktív központjában nikkel található, hatékonyabban és szelektívebben állít elő szén-monoxidot széndioxidból, mint a jól ismert arany- vagy ezüstkatalizátorok” – írja Peter Strasser a kísérleti eredményekről.

Eddig laboratóriumi körülmények között vizsgált katalizátorokat most grammban gyártják, és az ipari partner, a Covestro, egy mini-tesztberendezésben teszteli őket.

Understanding activity and selectivity of metal-nitrogen-doped carbon catalysts for electrochemical reduction of CO_{2
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}