ממזהם למוצר: הפיכת פחמן דו חמצני לכימיקלים שימושיים

קבוצת מחקר זוטר גרמנית חוקרת כיצד להמיר פחמן דו חמצני באמצעות אור השמש.

קבוצת מחקר זוטר חדשה באוניברסיטת אולדנבורג, בראשותו של הכימאי ד"ר לארס מורהוזן, מתמקדת בהפיכת פחמן דו חמצני לכימיקלים שימושיים תוך שימוש באנרגיה סולארית. צוות בינלאומי זה מוקדש לאסטרטגיה בת קיימא כפולה, שמטרתה ליצור זרזים נקיים ממתכות יקרות הרותמות את אור השמש כדי להפעיל את גז החממה האדיש הזה.

משרד החינוך והמחקר הפדרלי (BMBF) אישר 2.6 מיליון יורו במימון לפרויקט Su₂nCat-CO₂ במהלך שש השנים הבאות כחלק מתוכנית המימון שלה SINATRA (עבור קבוצות מחקר זוטרות המתמקדות ב"פוטוסינתזה מלאכותית" ו"שימוש בחומרי גלם חלופיים לייצור מימן").

בהתייחסו לפרויקט, אמר פרופ' ד"ר ראלף ברודר, נשיא אוניברסיטת אולדנבורג: "העבודה של קבוצת המחקר הזוטר החדשה נועדה למצוא חומרים זולים ועמידים שיחליפו את זרזי המתכות היקרות הנמצאים כיום בשימוש. התחייבות המימון של ה-BMBF מכירה במומחיות הבינתחומית הנרחבת של אוניברסיטת אולדנבורג בתחומי הקטליזה והננו-חומרים ומדגישה את החשיבות הרבה של מחקר זה עבור החברה."

זרזים ללא מתכות יקרות

Mohrhusen וצוותו יתמקדו בפיתוח חומרים זרזים המבוססים על רכיבים זמינים וזולים כגון טיטניום דו חמצני. המטרה היא למצוא דרכים יעילות מאוד באנרגיה להמיר את גז החממה פחמן דו חמצני לתרכובות כמו מתנול, פורמלדהיד או אתילן שיכולות לשמש את התעשייה הכימית בייצור פלסטיק או דלקים סינתטיים, למשל. "המרה של חומרים כמו פחמן דו חמצני כרוכה בדרך כלל בזרזים המכילים מתכות יקרות, שלעיתים קרובות דורשים לחץ גבוה וטמפרטורות גבוהות במהלך הפעולה", מסביר מורהוזן. בנוסף לכמויות האנרגיה הגדולות הנדרשות ליצירת התנאים הנכונים להפעלת תגובה, לחומרים אלו יש לרוב החיסרון שהם יקרים ולא עמידים במיוחד. זיהומים בהזנת הגז, למשל, יכולים בקלות "להרעיל" את חומר הזרז כך שהוא הופך פחות פעיל עם הזמן, מציין הכימאי.

הצוות של Mohrhusen מתכנן לחקור שני סוגים שונים של חומרי זרז היברידיים במערכות מודל. לשם כך, הם ייצרו שילובים של טיטניום דו-חמצני וננו-חלקיקי מתכת למחצה כמחלקה הראשונה של חומרים, ומבנים אורגניים על משטחי תחמוצת בתור השני. בשלב הבא, החוקרים ישתמשו בטכניקות שונות כדי לאפיין את המערכות ברמה האטומית – תהליך שבדרך כלל דורש תנאי ואקום גבוהים במיוחד. שני מחלקות החומרים יהיו פוטו-זרזים, כלומר הם הופכים פעילים קטליטית כאשר הם נחשפים לאור. החשיפה שלהם לאור השמש יוצרת נשאי מטען – אלקטרונים בעלי מטען שלילי ו"מקומות פנויים" בעלי מטען חיובי, מה שנקרא "חורים" – שיכולים להגיב כימית עם פחמן דו חמצני. "על בסיס זרזי המודל הללו אנו שואפים להשיג הבנה מפורטת ברמה האטומית של אילו תכונות חומר משפרות את התגובתיות כמו גם את היציבות של מערכות אלו", אומר מורהוזן. זה יכול להיות קשה מאוד בתנאים הטכניים השוררים בכורים גדולים, הוא מסביר.

בדיקות במיקרו-כורים

בתת-פרויקט שלישי, הצוות מתכנן לתכנן מיקרו-כורים כדי לבדוק את זרזי המודל בתנאים מציאותיים יותר. זה יכלול הכנסת חומרי הזרז לאטמוספירה של גז – שילוב של פחמן דו חמצני, מימן ומים, למשל – בתא מיוחד ובו-זמנית הקרנתם באור. החוקרים ינתחו את היווצרות תוצרי התגובה במהלך התהליך ויוכלו גם לבחון את חומרי הזרז לשינויים מבניים הנגרמים מהתגובה לאחר השלמת הבדיקות.

מורהוזן למד כימיה באוניברסיטת אולדנבורג, שם סיים את התואר הראשון שלו ב-2014 ואת התואר השני שלו ב-2016. הוא גם השלים את הדוקטורט באולדנבורג ב-2021, בקבוצת ננופוטוניקה וכימיה משטחים בראשות פרופ' ד"ר קתרינה אל-שמרי. כפוסט דוקטורט, הוא בילה כשלוש שנים בסך הכל בביצוע מחקר באוניברסיטת הרווארד (ארה"ב) ו אוניברסיטת ארהוס (דנמרק).

אוניברסיטת פרידריך אלכסנדר ארלנגן-נירנברג, אוניברסיטת ליידן (הולנד), אוניברסיטת ארהוס (דנמרק), אוניברסיטת פלורידה (ארה"ב), ושתי החברות Evonik ו-Leiden Probe Microscopy תומכות בפרויקט של Mohrhusen כשותפים קשורים. קו המימון של BMBF לקבוצות מחקר זוטרות מאפשר לחוקרים מצטיינים בתחילת הקריירה להקים קבוצות מחקר משלהם ולעבוד על פרויקטים חדשניים תוך קידום הקריירה שלהם בדרך לפרופסורה או למשרות אקדמיות מובילות אחרות.

המחקר מומן על ידי משרד החינוך והמחקר הפדרלי.