Wykorzystanie dwutlenku węgla jako surowca

Chemicy z TU Berlin pod kierunkiem prof. dr. Petera Strassera z dziedziny „Elektrochemiczne katalizatory i materiały” zainspirowali się biokatalizą do stworzenia nowego katalizatora do redukcji dwutlenku węgla.

Dwutlenek węgla (CO2) jest powszechnie znany jako szkodliwy dla klimatu gaz spalinowy. Powtarzającym się pytaniem jest, czy i jak można ten gaz wykorzystać jako surowiec. Temat ten jest interesujący między innymi dla przemysłów, które na przykład potrzebują dużych ilości tlenku węgla (CO) do produkcji poliwęglanów lub poliuretanów. Są to termoplastyczne tworzywa sztuczne, które na przykład wykorzystywane są przy produkcji płyt CD, okularów i szkieł ochronnych (poliwęglan) lub pianek, desek rozdzielczych i pianki (poliuretan).

„Tlenek węgla potrzebny w procesie produkcyjnym jest dotychczas pozyskiwany z metanu, fosylnego paliwa” — wyjaśnia prof. dr. Peter Strasser z TU Berlin. „Proces ten nie tylko zużywa fosylne paliwa, ale także generuje dwutlenek węgla. Pytanie brzmiało, czy konieczne jest pozyskiwanie tlenku węgla z metanu, czy też istnieje skuteczniejsza możliwość jego produkcji z CO2? Odpowiedź brzmi: tak, elektrochemicznie jest to możliwe, a ten proces jest obecnie intensywnie badany, między innymi przez partnerów przemysłowych, takich jak firma Covestro. Problemem jest to, że najlepszy dotychczas znany katalizator do tej elektrolizy jest nadal dość niespecyficzny i wymaga dodatkowo złota lub srebra w swoim centrum reaktywnym — jest więc dość kosztowny.”

W ramach projektu finansowanego przez Horizon2020, grupa badawcza z Technische Universität Dresden, Ruhr-Universität Bochum, Uniwersytetu Kopenhaskiego oraz TU Berlin jako lider konsorcjum, zajęła się bioinspirowanym katalizatorem, którego aktywne centrum nawiązuje do centrum aktywnego hemoglobiny, zwanego porfiryną. Zawiera ono w centrum cztery atomy azotu i w środku atom metalu. To właśnie to centrum zostało wyprodukowane jako ciałko stałe. Wstępne teorie przewidywały, że te tak zwane motywy porfirynowe mogą elektrochemicznie nie tylko redukować tlen, ale także bardzo selektywnie przekształcać dwutlenek węgla w tlenek węgla. Jednym z nielicznych produktów ubocznych jest na przykład wodór. Kluczową rolę odgrywa w tym centralny metal. Wiąże on cząsteczkę CO2 i przekształca ją przez różne stadia pośrednie w tlenek węgla. Efektywność produkcji tlenku węgla zależy w dużej mierze od metalu w centrum aktywnym katalizatora.

„Przeprowadziliśmy badania z wykorzystaniem między innymi niklu i żelaza jako centralnych atomów w katalizatorze. Na przykład nikiel jest szczególnie interesującym związkiem, ponieważ słabo wiąże tlenek węgla i łatwo go ponownie uwalnia jako gaz. Jeśli centrum aktywne zawiera żelazo, początkowa produkcja tlenku węgla jest wyższa niż w przypadku niklu, jednak tlenek węgla jest znacznie silniej wiązany. W efekcie katalizator szybciej się blokuje. Porównując różne wersje katalizatorów, udało nam się wykazać, że co najmniej w warunkach laboratoryjnych katalizator oparty na niklu, w którym metal ten znajduje się w centrum aktywnym, jest bardziej skuteczny i selektywny w produkcji tlenku węgla z dwutlenku węgla niż znane katalizatory ze złota i srebra” — opisuje wyniki badania Peter Strasser.

Dotychczas te katalizatory były badane głównie w warunkach laboratoryjnych, a teraz są produkowane w gramowych ilościach i testowane w miniaturowej instalacji przemysłowego 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