Így képes a cukor segíteni a klímaváltozás ellen!

Mutatjuk, hogy hogyan lehet képes a közönséges cukor segíteni a klímaváltozás elleni harcot.

Egy közelmúltbeli Northwestern University tanulmány szerint a kísérletek során az egyszerű, közönséges cukor is sikeresen átalakította a szén-dioxidot (CO2) szén-monoxiddá (CO), amely viszont számos hasznos vegyület előállításának fontos alapanyaga. Például, ha a reakció hidrogén jelenlétében zajlik, a CO2 és a hidrogén ún. szintézisgázzá alakul, ami rendkívül értékes anyag lehet a zöld üzemanyagok előállításában, amelyek potenciálisan helyettesíthetik is a benzint a jövőben. (Az ipari metángáz és vízgőz reakciójával nagy mennyiségben állít elő szén-monoxidból és hidrogénből álló gázelegyet, az ún. szintézisgázt. A reakció a szintézis körülményei között egyensúlyra vezet! – a szerk.)

Mint ismert, az utóbbi években a szén-dioxid megkötésére irányuló technológiák (carbon capture and storage, CCS) jelentős fejlődést értek el, így a szén-dioxid megkötése a légkörbe jutást követően egyre gyakoribb megoldássá válik a globális klímaváltozás kezelésében. Azonban a megkötött szén-dioxid hasznosítása továbbra is nyitott kérdés marad.

Ez az új, most „felfedezett” katalizátor egy lehetséges megoldást kínálhat a szén-dioxid átalakítására egy értékesebb termékké, így csökkentve az üvegházhatású gázok mennyiségét a légkörben. A tanulmány május 3-án jelent meg az igen rangos Science folyóiratban.

„Még ha most azonnal leállnánk is a szén-dioxid kibocsátással, a légkörünkben továbbra is többlet CO2 lenne az elmúlt évszázadok ipari tevékenységei miatt” – húzta alá a Northwestern egyetem kutatója, Milad Khoshooei, aki a tanulmány egyik vezető kutatója.

„Erre a problémára nincs egyetlen megoldás. Csökkentenünk kell a CO2 kibocsátást, és új módszereket kell találnunk a légkörben már meglévő CO2 koncentráció csökkentésére. Minden lehetséges megoldást ki kell használnunk.” (Nagyon is egyetértünk ezzel a megközelítéssel! – a szerk.)

„Nem mi vagyunk az első kutatócsoport, akik a CO2-t egy másik termékké alakítják” – jegyezte meg ugyanakkor a Northwestern egyetem kutatója, Omar K. Farha, a tanulmány másik szerzője.

„Ahhoz, hogy a folyamat valóban, a gyakorlatban is jól működjön egy olyan katalizátorra van szükség, amely megfelel több alapvető kritériumnak: ilyenek a megfizethetőség, a stabilitás, a könnyű előállíthatóság és a felskálázható, azaz ipari méretekben is szóba jöhető használat. Szerencsére az általunk használt anyag, azaz a cukor kiválóan megfelel ezeknek a követelményeknek.”

A fenti idézet tehát Omar K. Farhától származik, aki a szén-dioxid megkötési technológiák egyik fontos szakértője, kémiaprofesszor a Northwestern egyetem Weinberg College of Arts and Sciences karán. Milad Khoshooei pedig, aki a tanulmányt Ph.D. hallgatóként kezdte kidolgozni a kanadai Calgary Egyetemen, jelenleg posztdoktori ösztöndíjas Farha laboratóriumában.

Megoldás érkezik az otthoni kamrából

Az új katalizátor titka a molibdén-karbid, egy rendkívül kemény kerámia anyag. Ellentétben sok más katalizátorral, amelyek drága fémeket, például platinát vagy palládiumot igényelnek, a molibdén viszonylag olcsó, nem nemesfém és bőségesen megtalálható a Földön.

A molibdén molibdén-karbiddá alakításához a tudósoknak szénforrásra volt szükségük. Ehhez pedig – ahogy már sejteni lehet – egy váratlan helyen találtak olcsó megoldást: a kamrában. Meglepő módon a cukor, egészen pontosan a fehér, kristálycukor, amely szinte minden háztartásban megtalálható, szolgált olcsó és kényelmes szénatomforrásként ehhez a reakcióhoz.

„Minden nap, amikor megpróbáltam szintetizálni ezeket az anyagokat, egyszerűen cukrot hoztam a laborba otthonról” – mondta Khoshooei. „A többi, katalizátorként használt anyaghoz képest a miénk hihetetlenül olcsó.”

Sikeresen stabil a cukor, mint szén-dioxid katalizátor

A katalizátor tesztelése során Farha, Khoshooei és munkatársaik egész egyszerűen lenyűgözve tapasztalták annak sikerességét. Normál légköri nyomáson és magas hőmérsékleten (300-600 Celsius fok) működve a katalizátor 100%-os szelektivitással alakította át a CO2-t szén-monoxiddá.

A magas szelektivitás azt jelenti, hogy a katalizátor csak a CO2-re hatott, anélkül hogy zavart okozott volna a környező anyagokban. Más szóval, az ipar nagy mennyiségű megkötött gázt kezelhetne ezzel a kristálycukor katalizátorral, és szelektíven célozhatná meg kizárólag a CO2-t. A katalizátor ráadásul hosszabb ideig is stabil maradt, ami azt jelenti, hogy aktív maradt (!) és nem bomlott le.

„A kémiában nem ritka, hogy egy katalizátor néhány óra után elveszíti szelektivitását” – mondta Farha. „De jó hírünk van: 500 óra kemény körülmények között töltött idő után sem változott a cukor katalizátorunk szelektivitása.”

Ez különösen figyelemre méltó, mivel a szén-dioxid valójában egy igen stabil molekula.

„A CO2 átalakítása nem könnyű” – mondta Khoshooei. „A CO2 kémiailag stabil molekula, és le kellett küzdenünk ezt a stabilitást, ami sok energiát igényel.”

Kettős megközelítés a szén-dioxid megkötéséhez

Farha laboratóriumában a szén-dioxid megkötésére szolgáló anyagok fejlesztése kiemelt fókuszt kap. Kutatócsoportja ún. fém-szerves vázszerkezeteket (metal-organic frameworks, röviden: MOF) fejleszt, amelyek rendkívül porózus, nanoszintű anyagok, és amelyeket Farha „kifinomult és programozható fürdőszivacsokhoz” hasonlít. Farha különféle alkalmazásokhoz vizsgálja a MOF-okat, beleértve a cikkünk szempontjából nagyon fontos CO2 közvetlen légköri megkötését is.

Farha szerint a MOF-ok és az új, kristálycukor katalizátor kiválóan együttműködhetnek a szén-dioxid megkötésében és tárolásában.

„Egy ponton alkalmazhatnánk egy MOF-ot a CO2 megkötésére, majd egy katalizátort, hogy azt valami hasznosabbá alakítsa” – javasolta Farha. „Egy tandem rendszer, amely két különböző anyagot használ két egymást követő lépésben, ez lehet a jövő útja.”

Mindez segíthet választ adni arra a kérdésre: ‘Mit kezdjünk a megkötött CO2-vel? – tette hozzá Khoshooei. „Jelenleg az a terv, hogy föld alatti tárolókban helyezzük el a szén-dioxidot. Azonban a föld alatti tározóknak számos követelménynek kell megfelelniük ahhoz, hogy biztonságosan és véglegesen eltárolják bennük a CO2-t. Mi egy olyan univerzális megoldást akartunk tervezni, amely bárhol alkalmazható, miközben gazdasági értéket is teremt.”

(A tanulmány elkészítését az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériuma, a Nemzeti Tudományos Alapítvány és a Kanadai Természettudományi és Mérnöki Kutatási Tanács támogatta.)

Az anyag forrása és további részletek (angol nyelven):

https://news.northwestern.edu/stories/2024/05/sugar-based-catalyst-upcycles-carbon-dioxide/

Nyitókép:

Írja meg Facebook oldalunkra, hogy mit gondol erről a témakörről!

https://www.facebook.com/greenponthu/