CO2 už nemusí byť len odpad: Vedci našli spôsob, ako ho efektívnejšie premeniť na palivo
Vedci našli spôsob, ako využiť každý atóm kovu v katalyzátore. Výroba metanolu z CO2 môže byť lacnejšia, efektívnejšia a menej energeticky náročná.
Každá chemická reakcia má jeden háčik. Nezačne len tak sama od seba. Aby sa látky spojili a zreagovali, musíš im dodať energiu. Niekedy stačí málo, napríklad iskra zo zápalky. Pri priemyselných procesoch však ide o obrovské množstvo energie, ktoré sa premieta do ceny aj spotreby.
Práve preto existujú katalyzátory. Sú to látky, ktoré reakciu urýchlia a znížia energiu potrebnú na jej spustenie. Bez nich by mnohé chemické procesy boli príliš drahé alebo úplne nepoužiteľné. Problém je, že tie najúčinnejšie katalyzátory často obsahujú vzácne kovy, ktoré nie sú lacné.
Vedci našli spôsob, ako využiť kov naplno. Výroba metanolu môže byť lacnejšia aj efektívnejšia
Tím vedcov zo švajčiarskej ETH Zurich prišiel s riešením, ktoré tento problém posúva ďalej. Vyvinuli katalyzátor, ktorý dokáže efektívnejšie premieňať oxid uhličitý a vodík na metanol.
Metanol je jednoduchý alkohol, ale má široké využitie. Slúži ako základ pre výrobu palív, plastov aj ďalších chemikálií. Ak sa ho podarí vyrábať lacnejšie a s menšou spotrebou energie, môže to mať reálny dopad na celý chemický priemysel.
Kľúčová zmena je v tom, ako vedci pracovali s kovom indium. Namiesto malých častíc ho rozdelili na jednotlivé atómy. Každý z nich sa tak priamo zapája do reakcie, namiesto toho, aby bol „schovaný“ vo vnútri materiálu.
Neprehliadni
V klasických katalyzátoroch väčšina kovu len „sedí“ bez úžitku
Pri bežných katalyzátoroch nie je kov rozptýlený rovnomerne. Zhlukuje sa do malých častíc, ktoré obsahujú stovky až tisíce atómov. Reakcia však prebieha len na povrchu.
To znamená, že veľká časť kovu vo vnútri častice je prakticky nevyužitá. Je to podobné, ako keby si mal jablko a zjedol by si len tenkú vrstvu na povrchu.
Nový prístup ide opačnou cestou. Vedci rozdelili kov až na jednotlivé atómy a ukotvili ich na povrch materiálu, konkrétne oxidu hafnia. Každý atóm tak zostáva dostupný pre reakciu.
Výsledok je, že z rovnakého množstva kovu dostaneš viac výkonu. Spotrebuješ menej materiálu a zároveň znížiš energetickú náročnosť procesu.
Metanol môže vzniknúť aj z CO2. To, čo dnes považujeme za odpad, sa dá znovu využiť
Metanol patrí medzi základné stavebné látky chemického priemyslu. Využíva sa pri výrobe palív, plastov aj ďalších produktov, s ktorými sa stretávaš každý deň.
Zaujímavé je, že ho možno vyrábať aj z oxidu uhličitého a vodíka. Teda z CO2, ktorý dnes vo veľkom vypúšťame do atmosféry.
Ak by sa celý proces napájal energiou z obnoviteľných zdrojov, výsledok by mohol byť takmer klimaticky neutrálny. V praxi by to znamenalo, že CO2 by nebol len problém, ale aj surovina, ktorú vieš znovu využiť.
Najväčší problém je stabilita: Atómy sa chcú spojiť späť do väčších častíc
Výroba metanolu prebieha pri vysokých teplotách, približne okolo 300 stupňov Celzia, a pod vysokým tlakom. To je prostredie, kde materiály prirodzene degradujú alebo menia svoje vlastnosti.
Pri katalyzátoroch z jednotlivých atómov vzniká ešte jeden problém. Atómy sa snažia spojiť späť do väčších celkov, pretože to je ich stabilnejší stav. Tým by sa celý efekt stratil.
Vedci preto použili oxid hafnia ako nosný materiál, ktorý udrží atómy na mieste, ale zároveň im umožní reagovať.
Pri výrobe materiálov využili aj extrémne podmienky. Vystavili ich teplotám medzi 2 000 až 3 000 stupňov Celzia a následne ich rýchlo ochladili. Tento postup pomohol „zafixovať“ atómy na povrchu a zabrániť ich zhlukovaniu.
Vývoj katalyzátorov bol doteraz často o skúšaní. Teraz ho môžu vedci lepšie pochopiť
Vývoj katalyzátorov bol dlhé roky založený na tom, že vedci skúšali rôzne kombinácie a sledovali výsledok. Fungovalo to, ale často nebolo jasné, prečo niečo funguje lepšie.
Problém bol v meraniach. Pri klasických katalyzátoroch sa miešajú signály z aktívnych aj neaktívnych atómov, čo skresľuje výsledky.
Pri katalyzátoroch z jednotlivých atómov je situácia jednoduchšia. Každý atóm je aktívny, takže vedci vidia presnejšie, čo sa počas reakcie deje.
To umožňuje navrhovať nové katalyzátory cielene, nie len metódou pokus omyl.
Zatiaľ však platí, že laboratórny výsledok ešte neznamená úspech v praxi. Ak sa tento prístup podarí preniesť do veľkej výroby, môže výrazne zmeniť spôsob, akým vyrábame palivá aj chemikálie. Dovtedy ide o technológiu, ktorá musí prejsť testom škálovania.
