חוקרים פיתחו זרז מבוסס פח הממיר ביעילות CO2 לכימיקלים מרכזיים כמו אתנול וחומצה אצטית באמצעות המרה אלקטרוקטליטית, עם יישומים פוטנציאליים בהפחתת פליטת גזי חממה על ידי ניצול מקורות אנרגיה מתחדשים.
זרז על בסיס בדיל בעלות נמוכה יכול להמיר פחמן דו חמצני באופן סלקטיבי לשלושה כימיקלים המיוצרים באופן נרחב – אתנול, אצטיק חוּמצָהוחומצה פורמית.
אורב בתוך הפליטות מפעולות תעשייתיות רבות הוא משאב לא מנוצל – פחמן דו חמצני (CO2). בתור תורם של גזי חממה והתחממות כדור הארץ, ניתן היה ללכוד אותו ולהמיר אותו לכימיקלים בעלי ערך מוסף.
בפרויקט שיתופי הכולל את המעבדה הלאומית Argonne של משרד האנרגיה האמריקאי (DOE), אוניברסיטת צפון אילינוי ואוניברסיטת ולפראיסו, מדענים מדווחים על משפחה של זרזים הממירים ביעילות CO2 לאתנול, חומצה אצטית או חומצה פורמית. פחמימנים נוזליים אלו הם מהכימיקלים המיוצרים ביותר בארה"ב ונמצאים במוצרים מסחריים רבים. לדוגמה, אתנול הוא מרכיב מרכזי במוצרים ביתיים רבים ותוסף כמעט לכל הבנזין בארה"ב.
שיטת המרה אלקטרוקטליטית
השיטה שבה משתמש הצוות נקראת המרה אלקטרוקטליטית, כלומר CO2 המרה על זרז מונעת על ידי חשמל. על ידי שינוי גודל הפח המשמש מאטומים בודדים לאשכולות אולטרה-קטנים וגם לננו-גבישים גדולים יותר, הצוות יכול לשלוט ב-CO2 המרה לחומצה אצטית, אתנול וחומצה פורמית, בהתאמה. הסלקטיביות עבור כל אחד מהכימיקלים הללו הייתה 90% ומעלה. "הממצא שלנו לגבי נתיב תגובה משתנה לפי גודל הזרז הוא חסר תקדים", אמר ליו.
מחקרים חישוביים וניסויים חשפו כמה תובנות לגבי מנגנוני התגובה היוצרים את שלושת הפחמימנים. תובנה חשובה אחת הייתה שמסלול התגובה משתנה לחלוטין כאשר המים הרגילים המשמשים בהמרה עוברים למים מנומרים (דוטריום הוא איזוטופ של מימן). תופעה זו ידועה כאפקט האיזוטוף הקינטי. הוא מעולם לא נצפה בעבר ב-CO2 הֲמָרָה.
חוקרים מתנסים בזרזים על בסיס בדיל הממירים ביעילות CO2 לאתנול, חומצה אצטית או חומצה פורמית. בתמונה מוצגים חוקרי הארגון Haozhe Zhang ו-Jianxin Wang. קרדיט: Argonne National Laboratory
מחקר זה נהנה משני מתקני משתמשים של משרד ה-DOE Office of Science ב-Argonne – מקור הפוטון המתקדם (APS) והמרכז לחומרים ננומטריים (CNM). "באמצעות קרני הרנטגן הקשות הזמינות ב-APS, תפסנו את המבנים הכימיים והאלקטרוניים של הזרזים המבוססים על בדיל עם עומסי בדיל שונים", אמר צ'נג'ון סאן, פיזיקאי של ארגון. בנוסף, הרזולוציה המרחבית הגבוהה האפשרית עם מיקרוסקופ אלקטרוני תמסורת ב-CNM צילמה ישירות את סידור אטומי הפח, מאטומים בודדים ועד לצברים קטנים, עם עומסי הזרז השונים.
לדברי ליו, "המטרה הסופית שלנו היא להשתמש בחשמל המופק מקומי מרוח ושמש כדי לייצר כימיקלים רצויים לצריכה מקומית."
זה ידרוש שילוב של הזרזים החדשים שהתגלו לתוך אלקטרוליזר בטמפרטורה נמוכה כדי לבצע את CO2 המרה עם חשמל המסופק על ידי אנרגיה מתחדשת. אלקטרוליזרים בטמפרטורה נמוכה יכולים לפעול בטמפרטורת הסביבה ובלחץ כמעט. זה מאפשר התחלה ועצירה מהירה כדי להכיל את אספקת האנרגיה המתחדשת לסירוגין. זוהי טכנולוגיה אידיאלית לשרת מטרה זו.
"אם נוכל לייצר באופן סלקטיבי רק את הכימיקלים הנזקקים ליד האתר, נוכל לעזור לצמצם את הפחמן הדו-חמצני2 עלויות הובלה ואחסון", ציין ליו. "זה יהיה באמת מצב של win-win עבור המאמצים המקומיים של הטכנולוגיה שלנו."
התמיכה במחקר הגיעה מהמשרד ליעילות אנרגטית ואנרגיה מתחדשת של DOE תחת משרד הייצור המתקדם, המשרד ליעילות תעשייתית ושחרור פחמן. תמיכה נוספת ניתנה על ידי קרן מחקר ופיתוח מכוונת המעבדה של Argonne.
